Фундаментальная частица
В физике элементарная или фундаментальная частица - это частица, которая не состоит из других частиц.
Элементарная частица может быть одной из двух групп: фермиона или бозона. Фермионы являются строительными блоками материи и имеют массу, в то время как бозоны ведут себя как носители силы для взаимодействия фермионов, а некоторые из них не имеют массы. Стандартная модель - наиболее приемлемый способ объяснить, как ведут себя частицы, и силы, которые на них воздействуют. В соответствии с этой моделью элементарные частицы далее группируются в кварки, лептоны и калибровочные бозоны, при этом бозонХиггса имеет особый статус неглубокого бозона.
Из частиц, составляющих атом, только электрон является элементарной частицей. Протоны и нейтроны состоят из 3 кварков, что делает их составными частицами, частицами, которые состоят из других частиц. Кварки связаны между собой глюонами. В ядре есть бозонные пионовые поля, отвечающие за сильную ядерную силу, связывающую протоны и нейтроны против электростатического отталкивания между протонами. Такие виртуальные пионы состоят из кварковых антикварных пар, снова удерживаемых вместе глюонами.
Существуют три основных свойства, которые описывают элементарную частицу: "масса", "заряд" и "вращение". Каждому свойству присваивается числовое значение. Для массы и заряда число может быть равным нулю. Например, фотон имеет нулевую массу, а нейтрино - нулевой заряд. Эти свойства всегда остаются неизменными для элементарной частицы.
- Месса: Частица имеет массу, если ей требуется энергия для увеличения скорости или ускорения. В таблице справа приведена масса каждой элементарной частицы. Значения даны в MeV/c2s (то есть выраженных мегаэлектронвольтах над квадратом "c"), то есть в единицах энергии над скоростью света в квадрате. Это происходит из особой относительности, которая говорит нам, что энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Все частицы с массой производят гравитацию. На все частицы воздействует гравитация, даже на частицы без массы, как на фотон (см. общую относительность).
- Электрический заряд: Частицы могут иметь положительный заряд, или отрицательный, или нулевой. Если одна частица имеет отрицательный заряд, а другая - положительный, то две частицы притягиваются друг к другу. Если обе частицы имеют отрицательный заряд, или обе частицы имеют положительный заряд, то обе частицы раздвигаются. На коротких расстояниях эта сила намного сильнее силы тяжести, которая притягивает все частицы вместе. Электрон имеет заряд -1. Протон имеет заряд +1. Нейтрон имеет средний заряд 0. Нормальные кварки имеют заряд ⅔ или -⅓.
- Спин: Угловой момент или постоянный поворот частицы имеет определенное значение, называемое ее спиновым номером. Спин для элементарных частиц равен одному или ½. Свойство спина частиц обозначает только наличие углового момента. В реальности частицы не вращаются.
Масса и заряд - это свойства, которые мы видим в повседневной жизни, потому что гравитация и электричество влияют на вещи, которые человек видит и к которым он прикасается. Но спин воздействует только на мир субатомных частиц, поэтому его нельзя наблюдать напрямую.
Стандартная модель элементарных частиц. 1 GeV/c2 = 1,783x10-27 кг. 1 МэВ/с2 = 1,783х10-30 кг.
Фермионы
Фермионы (названные в честь ученого Энрико Ферми) имеют число вращения ½, и являются либо кварками, либо лептонами. Существует 12 различных типов фермионов (не включая антивещество). Каждый тип называется "ароматом". Ароматизаторы таковы:
- Кварки: вверх, вниз, обаяние, странное, сверху, снизу. Кварки приходят тремя парами, называемыми "поколениями". Первое поколение (вверх и вниз) - самое легкое, а третье (верх и низ) - самое тяжелое. По одному члену каждой пары (вверх, обаяние и вверху) есть зарядка ⅔. Другой член (нисходящий, странный и нижний) имеет заряд -⅓.
- Лептоны: электрон, мюон, тау, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино. У нейтрино есть заряд 0, отсюда и префикс нейтрины. Другие лептоны имеют заряд -1. Каждое нейтрино названо в честь своего соответствующего оригинального лептона: электрона, мюона и тау.
Считается, что шесть из 12 фермионов длится вечно: вверх и вниз - кварки, электрон и три вида нейтрино (которые постоянно меняют вкус). Другие фермионы распадаются. То есть, они распадаются на другие частицы на долю секунды после их создания. Статистика Ферми-Дирака - это теория, которая описывает, как ведут себя коллекции фермионов. По сути, нельзя иметь более одного фермиона в одном месте одновременно.
Босоны
Бозоны, названные в честь индийского физика Сатьендры Нат Бозе, имеют отжим 1. Хотя большинство бозонов состоят из более чем одной частицы, существует два вида элементарных бозонов:
- Бозоны: глюоны, W+и W-бозоны, Z0бозоны и фотоны. Эти бозоны несут 3 из 4-х фундаментальных сил и имеют число вращения 1;
- Глюон: Глюоны - бессодержащие и бессодержащие частицы, являющиеся носителями сильного силового взаимодействия. Они, наряду с кварками, соединяются, образуя композитные частицы, называемые адронами, в состав которых входят протоны и нейтроны.
- W и Z бозоны: W и Z бозоны - это частицы, которые несут в себе слабую силу. W-бозон имеет частицу материи (W+) и частицу антиматерии (W-), в то время как Z-бозон является собственной античастицей. W-бозон образуется в результате бета-распада, но почти сразу же превращается в нейтрино и электрон. W-бозоны и Z-бозоны были открыты в 1983 году.
- Фотон: Фотоны - бессодержащие и бессодержащие частицы, несущие электромагнитную силу. Фотоны могут иметь определенную частоту, которая определяет, какое электромагнитное излучение они несут. Как и все другие безмасляные частицы, они движутся со скоростью света (300 000 км/с).
- Бозон Хиггса: Физики считают, что массивные частицы имеют массу (т.е. они не являются чистыми пучками энергии, как фотоны) из-за взаимодействия Хиггса.
Фотон и глюоны не имеют заряда и являются единственными элементарными частицами, масса которых наверняка равна 0. Фотон - единственный бозон, который не распадается. Статистика Бозе-Эйнштейна - это теория, описывающая, как ведут себя коллекции бозонов. В отличие от фермионов, можно иметь несколько бозонов в одном пространстве одновременно.
Стандартная модель включает в себя все элементарные частицы, описанные выше. Все эти частицы наблюдались в лаборатории.
Стандартная модель не говорит о гравитации. Если гравитация работает как три другие фундаментальные силы, то гравитация переносится гипотетическим бозоном, называемым гравитоном. Гравитон еще не найден, поэтому он не включен в приведенную выше таблицу.
Первый обнаруженный фермион, о котором мы знаем больше всего, - это электрон. Первый обнаруженный бозон, а также тот, о котором мы знаем больше всего, - это фотон. Теория, которая наиболее точно объясняет, как электрон, фотон, электромагнетизм и электромагнитное излучение работают вместе, называется квантовой электродинамикой.
Вопросы и ответы
В: Что такое элементарные частицы?
О: Элементарные частицы - это частицы, которые не состоят из других частиц.
В: К скольким группам принадлежат элементарные частицы?
О: Элементарные частицы могут быть одной из двух групп - фермионы или бозоны.
В: Что такое Стандартная модель?
О: Стандартная модель - это наиболее приемлемый способ объяснить поведение частиц и силы, которые на них влияют.
В: Как группируются элементарные частицы в соответствии со Стандартной моделью?
О: Согласно Стандартной модели, элементарные частицы подразделяются на кварки, лептоны и калибровочные бозоны, причем бозон Хиггса имеет особый статус как не калибровочный бозон.
В: Считаются ли протоны и нейтроны элементарными частицами?
О: Нет, протоны и нейтроны не считаются элементарными частицами, поскольку каждый из них состоит из 3 кварков, что делает их составными частицами - это означает, что они состоят из других более мелких частиц.
В: Какие свойства описывают элементарную частицу?
О: Есть три основных свойства, которые описывают элементарную частицу - масса, заряд и спин - каждому свойству присваивается числовое значение.
В: Влияет ли гравитация на все типы частиц, даже на те, которые не имеют массы, например, фотоны?
О: Да, все типы частиц, включая частицы без массы, такие как фотоны, испытывают гравитацию в силу общей теории относительности.
