Particulele elementare

Particulele elementare ale modelului standard

! Quarks	! Schimbați particule
! Leptoni	! Bosonul Higgs

Particulele elementare sunt particule subatomice indivizibile și cele mai mici blocuri de materie cunoscute . Din punct de vedere al fizicii teoretice , acestea sunt cele mai scăzute niveluri de excitație din anumite domenii . Conform cunoștințelor de astăzi, care au fost asigurate prin experimente și rezumate în modelul standard de fizică a particulelor elementare , există

• șase tipuri de quarkuri fiecare cu trei încărcături de culoare diferite ,
• șase tipuri de leptoni , și anume trei leptoni încărcați și trei neutrini ,
• douăsprezece tipuri de bosoni de gabarit , și anume
  • un foton pentru interacțiunea electromagnetică
  • opt gluoni pentru interacțiunea puternică ,
  • trei bosoni ( Z ⁰ , W ⁺ , W ^- ) pentru interacțiunea slabă
• și bosonul Higgs .

Acest lucru are ca rezultat 37 de particule elementare la început. Există, de asemenea, antiparticule : optsprezece anti-quarcuri și șase anti-leptoni. Antiparticulele celor opt gluoni sunt deja incluse. Particulele foton , Z ⁰ și bosonul Higgs sunt fiecare antiparticulele lor, iar W ⁺ / W ^- sunt antiparticulele lor reciproce. Prin urmare, în acest număr există un total de 61 de tipuri de particule elementare.

Materia și câmpurile de forță și radiații ale interacțiunii puternice, slabe și interacțiunii electromagnetice constau din aceste particule în diferite compoziții și stări. În cazul câmpului gravitațional și al undelor gravitaționale , particulele subiacente - gravitoanele  (G) - au fost până acum ipotetice ; în cazul materiei întunecate , acestea sunt încă complet necunoscute.

Particulele numite sunt mici în sensul că

• că nu s-a putut obține încă indicii pentru un diametru diferit de zero din experimente. Teoretic, se presupune că sunt asemănătoare unui punct.
• că, conform stării actuale a cunoașterii, acestea nu sunt compuse din subunități chiar mai mici.
• că chiar și un mic obiect al vieții de zi cu zi conține deja trilioane (10 ²¹ ) din aceste particule. De exemplu, capul unui știft este deja format din 10 ^{22 de} electroni și 10 ^{23 de} quarcuri.

Clarificarea termenului

Alte particule elementare sunt prezise de teorii care depășesc modelul standard. Cu toate acestea, acestea sunt denumite ipotetice, deoarece nu au fost încă dovedite prin experimente.

Până la descoperirea quark-urilor, toate tipurile de hadroni erau de asemenea considerate a fi particule elementare, e . B. nucleul construiește blocuri de protoni , neutroni , pioni și mulți alții. Din cauza numărului mare de specii diferite, s-a vorbit despre „grădina zoologică cu particule”. Chiar și astăzi, hadronii sunt adesea denumiți particule elementare, deși, conform modelului standard, toți sunt compuși din quarcuri. B. au și un diametru măsurabil de ordinul ^10-15  m. Pentru a evita confuzia, particulele elementare enumerate mai sus conform modelului standard sunt uneori denumite particule elementare fundamentale sau particule fundamentale numite.

Istorie și prezentare generală

contează

Până la începutul secolului al XX-lea, filosofii și oamenii de știință au contestat deopotrivă dacă materia era un continuum care putea fi subdivizat la infinit sau dacă era alcătuită din particule elementare care nu puteau fi descompuse în bucăți mai mici. Astfel de particule au fost numite „atom” din cele mai vechi timpuri (din greacă ἄτομος átomos , „indivizibilul”), denumirea de particulă elementară (sau particulă elementară engleză ) nu a apărut înainte de anii 1930. Cele mai vechi considerații filosofice cunoscute despre atomi provin din Grecia antică ( Democrit , Platon ). Pe baza cunoștințelor științifice, acest termen a fost umplut pentru prima dată cu conținutul de astăzi în jurul anului 1800, când, după lucrările lui John Dalton , perspectiva a început să obțină acceptul în chimie că fiecare element chimic este format din particule identice unul cu celălalt. Au fost numiți atomi; acest nume a rezistat. Diversele manifestări ale substanțelor cunoscute și posibilitățile lor de transformare ar putea fi explicate prin faptul că atomii se combină după reguli simple în diferite moduri pentru a forma molecule . Atomii înșiși erau considerați imuabili, mai ales indestructibili. Din 1860 această imagine a condus la o explicație mecanică a legilor gazelor din teoria gazului cinetic prin mișcarea dezordonată a căldurii a multor particule mici invizibile. Aceasta ar putea include dimensiunea reală a moleculelor poate fi determinată: sunt multe ordine de mărime prea mici pentru a fi vizibile la microscop.

Cu toate acestea, în secolul al XIX-lea această imagine a fost menționată ca o simplă „ ipoteză atomică ” și criticată din motive de principiu (a se vedea articolul Atom ). A găsit aprobare generală doar în contextul fizicii moderne la începutul secolului al XX-lea . Albert Einstein a realizat o descoperire în 1905. El a derivat teoretic că atomii mici sau moleculele invizibile, datorită mișcării lor termice, se ciocnesc neregulat cu particule mai mari care sunt deja vizibile la microscop, astfel încât și acestea se află în mișcare constantă. El a fost capabil să prezică cantitativ tipul de mișcare a acestor particule mai mari, care a fost confirmat din 1907 de Jean-Baptiste Perrin prin observații microscopice ale mișcării browniene și a echilibrului de sedimentare . Aceasta este considerată a fi prima dovadă fizică a existenței moleculelor și a atomilor.

În același timp, însă, observațiile asupra radioactivității au arătat că atomii, așa cum fuseseră definiți în chimie, nu pot fi considerați în fizică nici imuabili, nici indivizibili. Mai degrabă, atomii pot fi împărțiți într-o coajă atomică de electroni și un nucleu atomic , care la rândul său este compus din protoni și neutroni . Electronul, protonul și neutronul au fost apoi considerați particule elementare, în curând împreună cu numeroase alte tipuri de particule care au fost descoperite în razele cosmice din anii 1930 (de exemplu , muon , pion , kaon , precum și pozitron și alte tipuri de antiparticule ) și din 1950 în experimente. la acceleratoarele de particule.

Datorită numărului lor mare și a proprietăților și a relațiilor confuze între ele, toate aceste tipuri de particule au fost grupate sub denumirea de „grădină zoologică cu particule” și a existat o îndoială largă dacă toate acestea ar putea fi într-adevăr elementare în sensul de a nu fi compuse . Prima caracteristică pentru o clasificare a fost distincția dintre hadroni și leptoni în anii 1950 . Hadronii, cum ar fi protonii și neutronii, reacționează la interacțiunea puternică , leptonii ca electronul doar la interacțiunea electromagnetică și / sau slabă . În timp ce leptonii sunt încă considerați elementari astăzi, particulele „mai mici”, quarcii , ar putea fi identificate în hadroni din anii 1970 . Cele șase tipuri de quarks sunt particule cu adevărat elementare conform modelului standard , din care, împreună cu gluoni, sunt construiți numeroșii hadroni ai grădinii zoologice cu particule.

Câmpuri

Câmpurile fizice precum câmpul gravitațional, câmpul magnetic și câmpul electric au fost și sunt privite ca un continuum. Adică au o anumită intensitate a câmpului în fiecare punct al spațiului, care poate varia spațial și temporal într-o manieră continuă (adică fără sărituri). Descoperirea faptului că particulele elementare joacă un rol și în câmpul electromagnetic a fost pregătită de Max Planck în 1900 și elaborată de Albert Einstein în 1905 sub forma ipotezei cuantice a luminii . Potrivit acestui fapt, câmpurile electromagnetice libere care se propagă sub formă de unde pot fi excitate sau slăbite doar în salturi de mărimea unui cuant elementar. Faptul că aceste cuante electromagnetice au toate proprietățile unei particule elementare a fost recunoscut din 1923 ca urmare a experimentelor lui Arthur Compton . El a arătat că un singur electron se comportă într-un câmp de radiații electromagnetice exact ca și cum s-ar ciocni cu o singură particulă acolo. În 1926, acest cuant electromagnetic a primit numele de foton .

Până în 1930, pe baza mecanicii cuantice , s-a dezvoltat electrodinamica cuantică care descrie apariția unei emisii de fotoni în proces și distrugerea acestuia în procesul de absorbție. În contextul acestei teorii reiese că câmpurile electrice și magnetice statice cunoscute se datorează și efectului fotonilor, care, totuși, sunt generați și distruși ca așa-numitele particule virtuale . Fotonul este cuantumul câmpului câmpului electromagnetic și prima particulă de schimb cunoscută care determină apariția uneia dintre forțele fundamentale din fizică.

Acest lucru a dus la două dezvoltări suplimentare: Formarea și distrugerea particulelor precum electronii și neutrinii observate în radioactivitatea beta a fost interpretată ca excitarea sau slăbirea unui „câmp de electroni” sau a unui „câmp de neutrini”, astfel încât aceste particule sunt acum vizionate și ele ca cuantă de câmp a câmpului lor respectiv (a se vedea teoria câmpului cuantic ). Pe de altă parte, particulele de schimb au fost căutate și găsite pentru alte forțe de bază: gluonul pentru interacțiunea puternică (dovedit 1979), bosonul W și bosonul Z pentru interacțiunea slabă (dovedit 1983). Pentru gravitație, a patra și de departe cea mai slabă dintre interacțiunile fundamentale , nu există încă nicio teorie cuantică a câmpului. Deși toate particulele sunt supuse gravitației, efectele care sunt teoretic de așteptat din reacțiile particulelor elementare sunt considerate a fi neobservabile. Prin urmare, gravitația nu este tratată în modelul standard, mai ales că un cuant de câmp asociat, gravitonul , a fost până acum pur ipotetic.

Bosonul Higgs este câmpul cuantic al unui alt câmp roman care a fost inserat în teoria câmpului cuantic al interacțiunii electromagnetice și slab unificat ( interacțiune electroslab ), pentru a fi în măsură să formuleze , teoretic , în mod constant faptul că există particule cu masă. Un nou tip de particulă care corespunde acestor așteptări a fost găsit în 2012 în experimente la Large Hadron Collider de lângă Geneva.

Lista particulelor elementare

Împărțirea în fermioni și bosoni

În primul rând, se face distincția între cele două clase de fermioni și bosoni pentru particulele elementare (precum și pentru particulele compozite) . Fermiunile au o rotație pe jumătate întregi și respectă o lege a conservării numărului de particule, astfel încât acestea pot apărea sau pieri doar împreună cu antiparticulele lor. Bosonii au un spin întreg și pot fi creați și anihilati individual. În vederea conservării materiei în viața de zi cu zi și în fizica clasică, fermionii dintre particulele elementare sunt, prin urmare, adesea văzute ca cele mai mici particule de materie și sunt denumite și particule de materie . Pe de altă parte, bosonii dintre particulele elementare sunt asociați câmpurilor, deoarece intensitatea câmpului poate varia continuu în fizica clasică. Prin urmare, bosonii sunt adesea menționați ca cuante de forță sau câmpuri de radiații sau, pe scurt, ca cuante de câmp. Cu toate acestea, în teoria cuantică a câmpurilor, fermionii sunt, de asemenea, cuantele de câmp ale câmpurilor respective. Dintre particulele elementare din modelul standard, leptonii și quarcii aparțin fermionilor, iar particulele schimbătoare, precum și bosonul Higgs (și - dacă există - gravitonul) aparțin bosonilor.

Leptoni

Leptonii sunt particulele elementare de materie cu spin care nu sunt supuse interacțiunii puternice. Sunt fermioni și participă la interacțiunea slabă și, dacă sunt încărcate electric, la cea electromagnetică. ${\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}}}$

Există trei leptoni încărcați electric (încărcare = −1e): electronul (e), muonul (μ) și tauonul (sau τ leptonul ) (τ) și trei leptoni neutri electric: electronul neutrino (ν _e ), neutrino muon (ν _μ ) și neutrino tauon (ν _τ ). Leptonii sunt aranjați în trei generații sau familii : (ν _e , e), (ν _μ , μ) și (ν _τ , τ). Fiecare familie are propriul număr de leptoni, care se păstrează întotdeauna, cu excepția oscilațiilor neutrino .

Pentru fiecare dintre aceste tipuri de leptoni există un tip corespunzător de antiparticule , care este în general identificat prin silaba precedentă anti- . Numai antiparticula electronului, care a fost prima antiparticulă descoperită, se numește pozitron . Nu se întâmplă niciodată în observații că atunci când este generat un antilepton, nu se generează și un lepton sau un alt antilepton nu este distrus. Descrie această situație ca conservarea numărului de leptoni ( numită și Leptonenladung ) sunt folosite pentru fiecare lepton și pentru fiecare antilepton , valoarea totală a rămâne constantă. Păstrarea numărului de leptoni se aplică tuturor proceselor de creare și anihilare a leptonilor și antileptonilor. Teoriile dincolo de modelul standard au speculat despre posibile încălcări ale acestei legi, dar nu au fost încă observate și, prin urmare, sunt ipotetice. ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle L = + 1}$${\ displaystyle L = -1}$${\ displaystyle L}$

Singurii leptoni stabili sunt electronul și pozitronul. Muonii și tauonii se descompun spontan transformându-se într-un lepton mai ușor cu aceeași sarcină electrică, un neutrino și un antineutrino, prin interacțiunea slabă. Alternativ, tauonii se pot descompune într-un neutrin și hadroni.

Quarks

Quarcurile sunt particulele elementare de materie cu spin , care, pe lângă interacțiunea slabă și electromagnetică, sunt supuse și interacțiunii puternice. Sunt fermioni și, pe lângă izospin slab (în funcție de chiralitatea lor ) și sarcină electrică, poartă și o încărcare de culoare . ${\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}}}$

Există trei tipuri de quarcuri cu sarcina electrică e: jos (d), ciudat (e) și jos (b) și trei tipuri de quark cu sarcina electrică e: sus (u), farmec (c) și sus ( t). Astfel, se cunosc și trei generații sau familii pentru quark : (d, u), (s, c) și (b, t). Ca și în cazul leptonelor, familiile diferă foarte mult în masele lor. Conversiile de quarks au loc datorită interacțiunii slabe, de preferință în cadrul unei familii (de exemplu, c ⇒ s). Aceste conversii sunt descrise de Quark Mixture Matrix. ${\ displaystyle - {\ tfrac {1} {3}}}$${\ displaystyle + {\ tfrac {2} {3}}}$

La crearea sau distrugerea quark-urilor sau antiquark-urilor, aceeași strictețe se aplică păstrării numărului barionului (numit și sarcină barionică ) ca la leptoni (vezi mai sus ): dacă se stabilește pentru fiecare quark și pentru fiecare antiquark , valoarea totală a numărul barionului rămâne cu toate cele fizice cunoscute Procese constante. Alegerea valorii se explică prin faptul că blocurilor de bază ale protonilor și neutronilor li s-a atribuit fiecare numărul barionului 1 cu mult înainte de a se descoperi că erau alcătuite din trei quarcuri. Și aici, teorii dincolo de modelul standard speculează despre posibile încălcări ale conservării numărului barionic, dar acestea nu au fost încă observate și, prin urmare, sunt ipotetice. ${\ displaystyle B}$${\ displaystyle B = {\ tfrac {1} {3}}}$${\ displaystyle B = - {\ tfrac {1} {3}}}$${\ displaystyle B}$${\ displaystyle {\ tfrac {1} {3}}}$

Quarkurile nu sunt niciodată observate în mod liber, ci doar ca componente legate ale hadronilor (vezi secțiunea „Particulele compuse” de mai jos).

Schimb de particule (bosoni de ecartament)

Particulă	Energie de repaus (GeV)	Rotire ( ) ${\ displaystyle \ hbar}$	Încărcare electrică ( ) ${\ displaystyle e}$	interacțiune mediată
foton	0	1	0	forța electromagnetică
Z 0 boson	aproximativ 91	1	0	forță slabă
W + boson	aproximativ 80	1	+1
W - boson			−1
Gluoni	0	1	0	forta puternica (forta de culoare)
( Graviton )	0	2	0	Gravitatie

Particulele de schimb sunt bosonii care mediază interacțiunile dintre particulele elementare menționate mai sus de tip fermion . Denumirea de boson gabarit se explică prin faptul că modelul standard este formulat ca teoria gabaritului , unde cerința pentru invarianța gabaritului local înseamnă că sunt prezise interacțiuni cu particule de schimb care au spin 1, adică sunt bosoni .

Gravitonul nu a fost încă dovedit în experimente și, prin urmare, este ipotetic. Cu toate acestea, este adesea listat în legătură cu celelalte particule de schimb, ceea ce reflectă speranța că în modelele viitoare de fizică a particulelor interacțiunea gravitațională poate fi tratată și în termenii teoriei câmpului cuantic. Proprietățile gravitonului date în tabelul din dreapta corespund cu ceea ce este de așteptat conform teoriei generale a relativității .

foton

Fiind cuantumul câmpului câmpului electromagnetic, fotonul este cel mai lung boson de ecartament cunoscut. Poate fi creat sau distrus de orice particulă cu sarcină electrică și mediază întreaga interacțiune electromagnetică . Nu are nici masă, nici încărcare electrică. Datorită acestor proprietăți, interacțiunea electromagnetică are un interval infinit și poate avea un efect macroscopic.

Bosonii W și Z

Există doi bosoni W cu sarcini electrice opuse și bosonul Z neutru. Acestea pot fi generate și distruse de orice particulă cu izospin slab sau hipercarcă slabă și mediază interacțiunea slabă . Acestea sunt astfel responsabile pentru toate procesele de transformare în care un quark se transformă într-un alt tip de quark sau un lepton într-un alt tip de lepton. Au o masă mare, care  limitează domeniul lor ca particule schimbătoare la ordinul a 10 ⁻¹⁸ m. Acest interval extrem de scurt este motivul pentru care interacțiunea slabă pare slabă. Spre deosebire de foton, bosonii W poartă și ei înșiși izospini slabi . Astfel, ei pot interacționa și unul cu celălalt prin interacțiunea slabă.

Gluon

Gluonii pot fi generați și distruși de particulele colorate și mediază interacțiunea puternică dintre ele . În plus față de quarcuri, gluonii înșiși poartă și o încărcare de culoare, fiecare în combinație cu o sarcină anti-culoare. Amestecurile posibile umplu un spațiu de stare optidimensional, motiv pentru care se vorbește de obicei despre opt gluoni diferiți. Două dintre cele opt dimensiuni aparțin unor stări în care gluonul poartă sarcina anticoloră care se potrivește exact cu sarcina de culoare; acești gluoni sunt propriile lor antiparticule. Gluonii nu au masă și nici sarcină electrică, nici izospin slab. Ca purtători de încărcături colorate, aceștia interacționează și unul cu celălalt. Această proprietate este cauza închiderii , care  limitează efectiv domeniul interacțiunii puternice la aproximativ 10 ⁻¹⁵ m. Acesta este aproximativ diametrul hadronilor alcătuiți din quarcuri (cum ar fi protoni și neutroni) și, de asemenea, gama forței nucleare care ține împreună protonii și neutronii în nucleul atomic.

Bosonul Higgs

Bosonul Higgs este o particulă elementară prezisă de Modelul Standard care a fost descoperit la centrul european de cercetare nucleară CERN . Poate fi creat și distrus de toate particulele cu masă și este cuantumul câmpului omniprezent al câmpului Higgs , care conferă acestor particule masa lor în primul rând. Bosonul Higgs are spin 0 și nu este un boson de ecartament.

Particule compuse din particule elementare

Particulele compuse din quarcuri (și gluoni) se numesc hadroni . Până la descoperirea quark-urilor și dezvoltarea modelului standard din jurul anului 1970, acestea erau considerate particule elementare și sunt adesea denumite astăzi. Hadronii sunt împărțiți în două categorii: mezoni și barioni .

Nucleii atomici sunt, de asemenea, alcătuiti din quark și legați de interacțiunea puternică, dar nu sunt denumiți hadroni.

Mezonii

Mesonii au spin întreg, deci sunt bosoni . Sunt stări obligatorii ale unui quark și al unui antiquark. Toți mezonii sunt instabili. Cel mai ușor mezon este pionul , care, în funcție de sarcina electrică, se transformă în leptoni sau fotoni („se descompune”). În teoria Yukawa, pionii sunt considerați ca particule de schimb ale forțelor nucleare cu care protonii și neutronii sunt legați în nucleul atomic.

Barioni

Barionii au rotire pe jumătate întregi, deci sunt fermioni . Acestea sunt stări de legătură de la trei quark (analog cu antibarionii din trei antiquark). Singurii barioni stabili sunt protonul și antiprotonul. Toate celelalte sunt instabile în sine și se transformă în cele din urmă într-un proton sau antiproton, posibil prin etape intermediare. Cele mai importante barioni sunt protonul și neutronul . Deoarece sunt componentele nucleului atomic, ele sunt denumite în mod colectiv nucleoni .

Nucleii atomici

Nucleii atomici sunt sisteme legate de barioni datorită interacțiunii puternice. În mod normal, acestea constau din protoni și neutroni - numai astfel de nuclee atomice pot fi stabile. Cel mai mic sistem stabil de acest tip este nucleul atomic al hidrogenului greu, care se numește deuteron și constă dintr-un proton și un neutron, adică șase quarcuri. De obicei, protonul este, de asemenea, unul dintre nucleii atomici, deoarece reprezintă nucleul atomului de hidrogen . Dacă unul sau mai mulți nucleoni sunt înlocuiți cu alți barioni, se vorbește despre hiper nuclei . Datorită intervalului scurt al interacțiunii puternice, distanța medie între barionii din nucleul atomic nu este mult mai mare decât diametrul lor.

Atomi

Atomii sunt sisteme legate de interacțiunea electromagnetică, care constă de obicei dintr-un nucleu atomic (greu) și electroni (ușori). Dacă un nucleon din nucleul atomic și / sau un electron din cochilie este înlocuit de particule de un alt tip, se creează un atom exotic instabil . În secolul al XIX-lea, înainte ca structura internă a atomilor să fie descoperită, atomii înșiși erau uneori denumiți particule elementare ale elementelor chimice.

Stabilitate și durată de viață

Dintre particulele elementare ale modelului standard, doar electronul, pozitronul, fotonul și neutrinii sunt stabile într-o stare liberă, izolată.

În cazul quarcurilor și gluonilor, este dificil să se vorbească de stabilitate, deoarece acestea nu pot fi izolate. Ele apar doar în mai multe împreună în hadroni. În el, ei sunt în permanență transformați de la o specie la alta prin interacțiunea puternică care îi ține împreună. Stabilitatea protonului sau a multor alți nuclei atomici este valabilă doar ca întreg, dar nu și pentru quarkul individual sau gluonul conținut în acesta. Un neutrin al unuia dintre cele trei tipuri de neutrini prezintă un amestec care se schimbă periodic din cele trei tipuri cu oscilația neutrino , dar anumite amestecuri ale diferitelor tipuri de neutrini, cele trei stări proprii de masă , sunt stabile. (Același lucru este valabil și pentru antiparticulele respective.)

Celelalte particule elementare și antiparticulele lor sunt instabile în sensul obișnuit al cuvântului: se transformă spontan în alte particule de masă inferioară. Se aplică legea dezintegrării radioactive și, pe baza dezintegrării radioactive , se vorbește despre decăderea particulelor, mai ales că o particulă dă naștere la alte două sau trei. Cu toate acestea, produsele de descompunere nu erau în niciun fel deja prezente în particula originală. Mai degrabă, este distrus în procesul de dezintegrare, în timp ce produsele de dezintegrare sunt regenerate. Durata medie de viață a particulelor elementare instabile este între 2 · 10 ⁻⁶  s (muon) și 4 · 10 ⁻²⁵  s (bosonul Z).

Stabilitatea particulelor elementare, cum ar fi electronul, sau a sistemelor legate, cum ar fi protonul, nucleul atomic sau atomul, este în general explicată în modelul standard prin faptul că nu există o cale de dezintegrare care nu este interzisă de una dintre conservările generale legile. Din legea conservării energiei rezultă că suma masei produselor în descompunere nu poate fi mai mare decât masa particulei sau sistemului în descompunere. Cu legea conservării sarcinii electrice rezultă că electronul și pozitronul sunt stabile, deoarece nu există particule mai ușoare cu aceeași sarcină. Pentru stabilitatea protonului (și a altor nuclee, dar și a antiprotonului etc.) trebuie folosită, de asemenea, una dintre cele două legi de conservare pentru numărul barionic sau numărul leptonic. În caz contrar, pozitronul (electronul în cazul unei sarcini electrice negative) ar fi un posibil produs de descompunere pentru toate particulele elementare încărcate pozitiv. Cu toate acestea, legile de conservare separate pentru quarks și leptoni sunt anulate în unele modele teoretice dincolo de modelul standard. Prin urmare, stabilitatea protonului este verificată în experimente. Decăderile protonilor nu au fost încă observate; durata medie de viață a protonului, dacă este deloc finită, este de cel puțin 10 ^{35 de} ani conform stării actuale (2017) .

Proprietățile tuturor particulelor elementare

Următoarele se aplică în modelul standard:

• Toate particulele elementare pot fi create și distruse. În afară de mișcarea lor fără forță prin spațiu, creația și anihilarea sunt singurele procese la care participă. Prin urmare, acestea sunt și baza oricărei interacțiuni. În caz contrar, cu toate acestea, particulele sunt complet neschimbabile prin proprietățile lor interne. În special, acestea nu sunt divizibile și nu au stări excitate.
• Toate particulele elementare de același fel sunt identice ; H. de nedistins. În cel mai bun caz, se poate distinge între stările pe care astfel de particule le presupun în prezent. Pe de altă parte, este fundamental imposibil să se determine care dintre mai multe particule identice a avut sau va fi într-o anumită stare într-un moment mai devreme sau mai târziu (vezi Particule identice ).
• Toate particulele elementare încărcate au antiparticule care sunt exact aceleași în toate proprietățile, cu excepția faptului că poartă sarcini opuse. Cele patru particule elementare neîncărcate fotonul, bosonul Z ⁰ , bosonul Higgs și doi gluoni sunt propriile lor antiparticule. O particulă și o antiparticulă de același fel se pot anihila reciproc. Nimic în afară de toată energia, impulsul și impulsul unghiular nu sunt reținute. Acestea sunt transferate în particule nou create (vezi anihilarea perechii , crearea perechilor ).
• Toate particulele elementare par punctiforme. Ei își asumă doar stări în care au o probabilitate extinsă spațial de prezența lor (vezi funcția de undă ). Cu o creștere a cheltuielilor de energie, totuși, acest tip de expansiune spațială poate fi împins sub orice limită stabilită anterior, fără nicio modificare a proprietăților interne ale particulei. Cu electronul , experimentele corespunzătoare sunt cele mai avansate și au atins intervalul de 10 ⁻¹⁹  m.
• Toate particulele elementare rămân membre ale aceluiași tip de particule până la următoarea interacțiune . Neutrinii sunt o anumită excepție: un neutrin este creat sub forma unuia dintre cele trei tipuri observabile menționate mai sus, dar s-a transformat parțial într-un altul dintre aceste tipuri prin următoarea interacțiune a unei interacțiuni ( oscilația neutrinului ). Acest amestec care se schimbă periodic din cele trei specii observate se explică prin faptul că există teoretic trei tipuri de neutrini neschimbabili cu mase diferite, definite cu precizie, în timp ce cele trei tipuri de neutrini observați sunt trei combinații liniare ortogonale reciproce. Strict vorbind, cele trei specii observate nu au fiecare o masă bine definită, ci o distribuție a masei.
• Proprietățile interne invariabile ale fiecărei particule elementare sunt
  • energia sa de repaus ( masa ),
  • rotirea sa (impuls unghiular intrinsec, care are întotdeauna aceeași dimensiune, posibil și în sistemul de repaus al particulei. Valoarea zero se aplică numai bosonului Higgs.)
  • paritatea sa internă (definită ca pozitivă pentru particule și negativă pentru antiparticule)
  • numărul său de lepton (valoare +1 pentru fiecare lepton, -1 pentru fiecare antilepton, zero pentru toate celelalte particule)
  • numărul său de barion (valoare (din motive istorice) pentru fiecare quark, pentru fiecare antiquark, zero pentru toate celelalte particule)${\ displaystyle + {\ tfrac {1} {3}}}$${\ displaystyle - {\ tfrac {1} {3}}}$
  • sarcina sa electrică (dacă are valoarea zero, particula nu este implicată în interacțiunea electromagnetică .)
  • izospinul său slab (dacă are valoarea zero și particula nu are nici o sarcină electrică, particula nu este implicată în interacțiunea slabă ).
  • încărcarea culorii sale (dacă are valoarea zero, particula nu este implicată în interacțiunea puternică .)

Generarea și distrugerea ca bază a tuturor proceselor

Modelul standard are în vedere doar crearea și distrugerea particulelor elementare ca posibile procese. Primele trei exemple pentru a explica această afirmație de anvergură:

• Devierea unui electron: O simplă schimbare în direcția de zbor a unui electron este rezolvată într-un proces de anihilare și creație: electronul în starea sa inițială este anihilat și este generat un electron cu impulsul în noua direcție. Întrucât electronii sunt particule care nu se pot distinge, întrebarea dacă „este totuși același electron” nu are sens. Cu toate acestea, acest proces este de obicei parafrazat lingvistic în așa fel încât „electronul” nu și-a schimbat decât direcția de zbor. Modelul standard permite acest proces, care combină anihilarea și generarea, dacă este implicată și o particulă de schimb. Aceasta este fie absorbită (distrusă), fie emisă (generată) și, în orice caz, are exact astfel de valori ale energiei și impulsului, încât ambele cantități sunt reținute în ansamblu. Particulele de schimb în cauză în acest exemplu sunt fotonul, bosonul Z și bosonul Higgs. Toate celelalte sunt excluse: gluonii sunt excluși, deoarece electronul este un lepton și, prin urmare, nu are o încărcare de culoare; Bosonii W sunt excluși din cauza conservării stricte a încărcăturii electrice, deoarece sunt încărcate; atunci când apar sau dispar, sarcina lor ar trebui să apară într-una din celelalte două particule implicate. Electronul are aceeași încărcare înainte și după deviere.
• Decăderea unui boson Z într-o pereche electron-pozitron: un boson Z este distrus, se generează un electron și un anti-electron (pozitron). Sarcina electrică totală este reținută deoarece perechea electron-pozitron este împreună neutră, ca și bosonul Z original.
• Conversia unui quark descendent într-un quark ascendent: quarcul descendent este distrus, este generat quarkul ascendent, trebuie să fie generată sau distrusă o particulă de schimb. În acest caz, nu numai că trebuie să compenseze schimbarea (posibilă) a impulsului și a energiei quark-urilor, ci și conversia sarcinii electrice de la la . Aceasta înseamnă că doar bosonul W cu semnul corect de încărcare intră în discuție: dacă este generat, acesta are sarcina , altfel . Din nou, această combinație de anihilare și creație de quark este denumită lingvistic conversia unui quark într-un quark de alt tip. (Acest proces este primul pas al beta radioactivitate valorile emisă W. ^- . Bozonice nu este stabil, dar este distrus într - o a doua etapă de procedeu, prin care o pereche potrivită de fermioni este generată în beta radioactivitate, este un electron, radiația beta și un antineutrino de electroni.)${\ displaystyle - {\ tfrac {1} {3}}}$${\ displaystyle + {\ tfrac {2} {3}}}$${\ displaystyle -1}$${\ displaystyle +1}$

Toate acestea sunt exemple de „vârf cu trei căi”, deoarece trei particule sunt întotdeauna implicate în aceste etape de proces elementare, doi fermioni și câte un boson fiecare. În acest context, cuvântul vertex reprezintă o anumită combinație de procese de creație și distrugere. Provine din limbajul simbolic grafic al diagramelor Feynman , în care fiecare particulă este reprezentată printr-o linie scurtă. Liniile particulelor implicate într-un proces se întâlnesc într-un punct comun, vârful, unde se termină (pentru anihilare) sau încep (pentru creație). Liniile pentru fermioni (inclusiv antifermioni) trebuie să apară întotdeauna în perechi, fie pentru leptoni, fie pentru quark, dar nu amestecate. A treia linie trebuie să descrie întotdeauna un boson. Particulele și antiparticulele trebuie implicate astfel încât să se păstreze numărul total de leptoni sau barioni. Există, de asemenea, vârfuri cu 3 căi și vârfuri cu 4 căi, cu numai bosoni. Pentru alte dimensiuni care trebuie păstrate pentru fiecare vârf, consultați legea conservării .

Acțiunea unui fermion asupra altuia, de ex. B. repulsia reciprocă a doi electroni este descrisă ca un proces în două etape, adică cu două vârfuri cu 3 căi: într-un vârf, un electron generează un foton, care este absorbit de celălalt electron din celălalt vârf. Se spune că electronii schimbă un foton, din care derivă termenul de particulă de schimb . În general, fiecare interacțiune dintre doi fermioni constă în faptul că particulele de schimb sunt schimbate. Conform regulilor teoriei câmpului cuantic, particula schimbătoare se sustrage observației directe; rămâne o particulă virtuală . Indiferent de aceasta, transmite impulsul și energia de la o particulă la alta și astfel provoacă z. B. schimbarea direcțiilor de zbor ale particulelor. Acesta este un efect observabil, deoarece este cauzat de o forță din fizica clasică .

Interacțiuni și taxe

Modelul standard tratează trei interacțiuni fundamentale :

• Interacțiunea puternică provine din taxa de culoare . Doar quarkii și gluonii poartă o încărcare de culoare.
• Interacțiunea electromagnetică se bazează pe sarcina electrică . Toate particulele încărcate electric, adică toate quarcurile, jumătate din leptoni, ambii bosoni W iau parte și, în plus, fotonul , deși este neîncărcat.
• Slaba interacțiune nu are nici o taxă în analogie cu sarcina electrică sau taxa de culoare. Toate particulele a căror izospin slab sau a căror sarcină electrică este diferită de zero iau parte la el, adică toate particulele, cu excepția gluonului, fotonului și a neutrinului dreptaci .

A patra forță de bază, gravitația , acționează asupra tuturor particulelor elementare, deoarece toate particulele au o energie. Cu toate acestea, în fizica particulelor este lăsată în mare parte din considerare datorită rezistenței sale reduse, mai ales că încă nu există o teorie cuantică a gravitației. La fel și z. B. gravitonul , cuanticul câmpului asociat, până acum pur ipotetic.

Masă (energie de repaus)

Pe baza ecuației lui Einstein E = mc ² , masa unei particule corespunde unei valori energetice, energia restului . Deoarece în fizica particulelor o energie este de obicei dată în electroni volți (eV), unitatea de masă este eV / c ² . De regulă, se utilizează unități naturale , caz în care coeficientul „c ² ” poate fi omis din specificație și masa poate fi specificată în eV.

Masele particulelor elementare variază de la 0 eV / c ² ( foton , gluon ) la 173 GeV / c ² ( quark superior ). De exemplu, masa protonului este 938 MeV / c ² , cea a electronului 0,511 MeV / c ² . Cu valori de cel mult 1 eV / c ² , neutrinii au cele mai mici mase diferite de zero. În modelul standard , acestea au fost inițial considerate fără masă până când au fost observate oscilații de neutrini în 1998 . Din oscilație se poate concluziona că cele trei tipuri de neutrini au mase diferite. Dar sunt atât de mici încât valorile exacte nu au putut fi încă determinate.

A învârti

Toate particulele elementare, în afară de bosonul Higgs, au un moment unghiular intrinsec, altul decât zero , cunoscut și sub numele de spin. Acest lucru poate apărea numai în multipli întregi sau jumătăți întregi ai cuantumului de acțiune și este denumit numărul cuantic al spinului particulei. Spinul este o proprietate intrinsecă a particulelor, cantitatea sa nu poate fi modificată, doar orientarea sa în spațiu poate fi modificată. Leptonii și quarcii au particule schimbătoare , bosonul Higgs . În general, particulele cu spin întreg formează clasa de particule a bosonilor, cele cu spin jumătate întregi formează clasa de particule a fermionilor. Bosonii pot fi creați și anihilați individual, de ex. B. cante ușoare individuale; Fermiunile, pe de altă parte, există doar în perechi sub formă de particule și antiparticule. Pentru consecințe suplimentare ale acestei distincții fundamental importante, vezi bosonul și fermionul . ${\ displaystyle \ hbar}$${\ displaystyle J}$${\ displaystyle J = {\ tfrac {1} {2}}}$${\ displaystyle J = 1}$${\ displaystyle J = 0}$${\ displaystyle J}$

Mai multe numere cuantice

Numere cuantice suplimentare de quarks și leptoni caracterizează apartenența lor la una dintre cele șase specii și cantități conservate în continuare, de ex. B. izospin , strangeness , Baryon numărul , numărul Lepton . Compozite hadroni sunt simbolul simplificat sau o. Ä. În ce numărul cuantic al știfturilor este necesară pentru paritate , care , pentru G-paritatea și LA A pentru conjugare taxa . ${\ displaystyle I}$ ${\ displaystyle S}$ ${\ displaystyle A}$ ${\ displaystyle L}$${\ displaystyle I ^ {G} (J ^ {PC})}$${\ displaystyle J ^ {PC}}$${\ displaystyle J}$${\ displaystyle P}$${\ displaystyle G}$${\ displaystyle C}$

Antiparticulă

Există antiparticule pentru fiecare tip de particulă. În unele proprietăți, particula și antiparticulele corespunzătoare se potrivesc exact, de ex. B. în masă, în cantitatea de centrifugare, în timpul vieții. Ele diferă prin semnul tuturor taxelor pentru care se aplică o lege de conservare. Aceasta privește z. B. sarcina electrică, barionul și leptonul. De exemplu, protonul este încărcat pozitiv, iar antiprotonul este negativ.

Particulele fără astfel de sarcini reținute, și anume fotonul și bosonul Z, sunt propriile lor antiparticule. Neutrinii nu sunt incluși, deoarece sunt neutri doar din punct de vedere electric, dar poartă încărcătura pozitivă de lepton ca particule și sarcina de lepton negativă ca anti-particule. Prin urmare, neutrinii nu sunt identici cu antineutrinii și se comportă diferit în experiment. Cei doi bosoni W sunt o pereche de particule-antiparticule. Un gluon este încărcat cu o încărcare de o singură culoare și o sarcină anti-culoare, astfel încât antigluonul asociat este deja inclus în grupul de gluoni.

Deoarece o pereche de particule și antiparticule luate împreună este neutră în ceea ce privește fiecare dintre sarcinile obținute, astfel de perechi pot apărea „de nicăieri” atâta timp cât energia necesară este disponibilă pentru a genera masele lor ( formarea perechilor ). De exemplu, un foton (numărul de lepton 0, sarcina electrică 0) poate deveni un lepton (numărul de lepton 1, sarcină electrică -1) și un antilepton (numărul de lepton -1, sarcină electrică +1). Dintr-o energie minimă de 1,02 MeV este o pereche electron-pozitron, de la 212 MeV este posibilă și o pereche muon-antimuon. De asemenea, are loc reacția opusă: În timp ce electronul și pozitronul sunt stabili fiecare datorită reținerii numărului de leptoni sau a reținerii sarcinii electrice, aceștia se anihilează reciproc când se reunesc în nanosecunde ( anihilare ) și rămân în urmă - sub forma potrivite alte particule elementare - nimic altceva decât conținutul lor total de energie, adică cel puțin 1,02 MeV, precum și - dacă nu egal cu zero - impulsul total și impulsul unghiular total.

Particule elementare hipotetice

Alte particule au fost postulate în modele teoretice, dintre care unele sunt plauzibile, dar unele sunt foarte speculative. Acestea includ:

• O a patra generație de quark și leptoni.
• Axionul super - sale și partenerii Axino și Saxion apar în extensiile de cromodinamicii cuantice .
• Lepto cuarc sau X mediaza bozonici între cuarci și leptoni și ar putea fi responsabil pentru excesul de materie în comparație cu antimateria .
• Neutrinului steril .
• Gravitonului este de așteptat ca mecanismul de interacțiune gravitațională pentru o teorie a gravitației cuantice .
• Teoriile supersimetrice postulează existența unei clase întregi de „ super-parteneri ” bosonici pentru particulele fermionice cunoscute anterior și invers.

Observații

1. ↑ Dacă neutrinii sunt fermioni Majorana , atunci aceștia ar fi identici cu antiparticulele lor.

Citate

literatură

• C. Amsler și colab.: Physics Letters. Rândul B. Amsterdam 667.2008.1. ISSN  0031-9163 ( Particle Data Group , PDG)
• Tabelele rezumative. În: PDG. 15 ianuarie 2008, accesat la 30 septembrie 2008 . 
• Christoph Berger: Elementarteilchenphysik , Springer Verlag, ediția a II-a 2006, ISBN 3-540-23143-9
• Klaus Bethge și Ulrich E. Schröder : Particulele elementare și interacțiunile lor - o privire de ansamblu. WILEY-VCH, Weinheim 2006. ISBN 3-527-40587-9
• Harald Fritzsch : Particule elementare. Blocuri de materie. Beck, Munchen 2004. ISBN 3-406-50846-4
• Henning Genz : Particule elementare. Fischer, Frankfurt a. M. 2003. ISBN 3-596-15354-9
• Bogdan Povh și colab.: Particles and Cores. O introducere în conceptele fizice. Springer, Berlin 2006. ISBN 3-540-36685-7
• Jörn Bleck-Neuhaus: particule elementare . De la atomi la modelul standard până la bosonul Higgs. Ediția a doua, revizuită. Springer, Berlin Heidelberg 2013, ISBN 978-3-642-32578-6 , doi : 10.1007 / 978-3-642-32579-3 . 

Link-uri web

Wikționar: particule elementare  - explicații ale semnificațiilor, originea cuvintelor, sinonime, traduceri

• Bazele fizicii particulelor
• Pagini de informare și informare în domeniul fizicii particulelor germane
• Fizica particulelor în lumea fizicii
• Pagini de divulgare a fizicii a particulelor austriece (a Societății de fizică austriece )
• Siegmund Brandt: În căutarea celor mai mici lucruri (diapozitive dintr-o prelegere de știință populară, pdf, 5,5 MB)
• Grupul de date cu particule

Dovezi individuale

1. ↑ Erhard Scheibe : Filosofia fizicienilor . Ediția a II-a. CH Beck, München 2012, ISBN 978-3-406-54788-1 . 
2. ↑ Particula Higgs este descoperirea anului. În: sueddeutsche.de. 21 decembrie 2012, accesat pe 9 martie 2018 . 
3. ↑ Harald Fritzsch : Particule elementare - blocuri de materie. Beck, Munchen 2004, ISBN 3-406-50846-4 , p. 13.