Физика 11 класс "Фундаментальные элементарные частицы"

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Лицей № 7» г. Бердск

Фундаментальные элементарные частицы

Физика 11 класс

Учитель физики И.В.Торопчина

Лицей №7

г. Бердск

Фундаментальное взаимодействие

Все бесконечное многообразие взаимодействий можно свести к четырём фундаментальным:

• гравитационному;
• слабому;
• электромагнитному;
• сильному.

Фундаментальные взаимодействия имеют различную природу и силу.

Свойства четырёх типов фундаментального взаимодействия

Виды взаимодействия

Время взаимодействия, с

Гравитационное

Слабое

Радиус взаимодействия, м

10 16

10 -9

Частица

∞

Электромагнитное

Гравитоны (не обнаружены)

10 -18

10 -21

Сильное (ядерное)

W + , W - , Z 0

10 -23

∞

Фотоны

10 -15

π-мезоны (глюоны)

• В 1916 году Альберт Эйнштейн создал общую теорию относительности (ОТО), в которой объясняется гравитационное взаимодействие.
• Слабое взаимодействие объясняет теория электрослабого взаимодействия (ТЭВ), созданная в 1967 году физиками Саламом, Глэшоу и Вайнбергом на основе квантовой электродинамики.
• В 1927-1940-е годы Дираком, Паули, Фейнманом, Швингером создана квантовая электродинамика (КЭД), которая объясняет суть электромагнитного взаимодействия.
• В 1973 году была предложена теория сильного взаимодействия – квантовая хромодинамика (КХД), созданная объединенными усилиями многих физиков.

• На основе этих двух последних теорий была создана Стандартная модель , все предсказания которой подтвердились, включая бозон Хиггса.
• Стандартная модель – это теория в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц. Стандартная модель не включает в себя теорию гравитации.
• Согласно этой теории, материя состоит из 24 частиц – 6 видов кварков и 6 видов лептонов , при этом каждой частице соответствует античастица (всего 12 античастиц).

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

• Лептоны
• Кварки
• Калибровочные бозоны

-фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие; -восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие; -три промежуточных векторных бозона W + , W − и Z 0 , 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.

• Лепто́ны   — фундаментальные частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном взаимодействии.
• К лептонам относятся: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, τ-лептон, τ-нейтрино.
• Лептоны участвуют в слабом взаимодействии.
• Между заряженными частицами, относящимися к этому классу частиц, происходит ещё и электромагнитное взаимодействие.

Кварк

• Кварк – это фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e /3

и не обнаруженная в свободном состоянии.

• Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 10 −16  см, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона.
• Кварки были обнаружены внутри протонов и нейтронов при наблюдении рассеяния электронов и нейтрино больших энергий на нуклонах.

Кварк

• Кварковая модель элементарных частиц была независимо постулирована в 1964 году американскими физиками Марри Гел-Манном и Джорджем Цвейгом.

• В 1969 г. экспериментальное подтверждение кварковой структуры адронов пришло из Стэнфорда.
• В настоящее время считается, что существует 6 сортов (чаще говорят: ароматов) кварков: u, d, s, c, b, t.

Некоторые свойства кварков

Обозначение

Название

d

Нижний

Электрический заряд

u

s

Масса

(-1/3)e

Верхний

Странный

~ 5 МэВ/с 2

c

(+2/3)e

~ 3 МэВ/с 2

(-1/3)e

Очарованный

b

95 ± 25 МэВ/с 2

Прелестный

t

(+2/3)e

Истинный

1,8 ГэВ/с 2

(-1/3)e

4,5 ГэВ/с 2

(+2/3)e

171 ГэВ/с 2

• Адро́ны  — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию. 
• В Стандартной модели предполагается, что все адроны теоретически можно построить из кварков трех типов: u, d и s.
• Это самый обширный класс частиц. Адронов несколько сотен.
• Адроны имеют размер около 10 -13  см и состоят из кварков.
• Адроны, состоящие из трёх кварков, называются барионами, состоящие из кварка и антикварка – мезонами.
• Наиболее известные адроны, относящиеся к группе барионов, - протон и нейтрон.
• В класс адронов входят также гипероны Λ, Σ + , Σ 0 , Σ - , π-мезоны, K-мезоны и другие частицы.

Строение барионов

Протоны и нейтроны состоят из трёх кварков – u, d и s .

Протон как структура из двух u-кварков и одного d-кварка

Нейтрон как структура из

двух d-кварков

и одного u-кварка

Строение протона и антипротона

Строение мезонов

Кварки

• Вскоре после возникновения модели кварков было выдвинуто предположение, что кварки обладают свойством (или качеством), которое получило название цвет .
• Различие между шестью кварками u , d , s , c , b , t стали называть аромат .
• Согласно существующим представлениям, каждый из ароматов кварка может иметь три цвета, обычно обозначаемых как КРАСНЫЙ ( R ), ЗЕЛЁНЫЙ (G) и СИНИЙ (B) .
• Непривычные свойства - цвет и аромат кварков

Цвет кварков

• Так как существует 6 кварков и 6 антикварков, каждый из которых может иметь 3 цвета, то полное число кварков равно 36. Антикварки имеют цвета дополнительные к кваркам: желтый, пурпурный и сине-зеленый.
• Кварк одного цвета может перейти в кварк другого цвета, испустив цветной глюон – частицу, являющуюся переносчиком сильного взаимодействия.
• Кварки в адронах находятся в таких цветовых состояниях, что суммарный цветовой заряд адрона равен нулю. Говорят, что адроны бесцветные или белые.

Квантовая хромодинамика

• Цвет кварков непрерывно меняется. Кварки внутри адронов взаимодействуют друг с другом сильным взаимодействием посредством обмена частицами – глюонами («клей»). Непрерывный обмен глюонами приводит к тому, что кварки в адронах меняют свой цвет, оставляя адрон во все моменты времени бесцветным.
• Теория взаимодействия между кварками называется квантовой хромодинамикой .

Непривычное свойство - пленение кварков

• Межкварковые силы в отличие от всех других сил в природе при увеличении расстояния возрастают.
• При удалении кварка из частицы потенциальная энергия достигает достаточно высокого уровня и за счет этой энергии произойдет рождение пары кварк-антикварк. Полученный кварк останется и восстановит частицу, а антикварк объединится с удаляемым кварком и произойдет рождение мезона.
• Кварки существуют только в сочетаниях по два или по три.

Глюоны

• Глюоны не имеют заряда и массы.
• Существует восемь глюонов, но их невозможно обнаружить в свободном состоянии.
• Глюоны взаимодействуют друг с другом и могут превратиться в пару кварк-антикварк, т.е. виртуальный мезон, который осуществляет связь между протонами и нейтронами в ядре.
• Сильное взаимодействие глюонов друг с другом и кварками приводит к удержанию кварков внутри адрона.

• Физика высоких энергий находится в постоянном поиске и развитии. На данном этапе истинно элементарными (то есть не имеющими структуры) считаются кварки, лептоны, кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитоны) и частица Хиггса.
• Для того чтобы понять сложные законы микромира применяют ускорители заряженных частиц.
• Ускоритель заряженных частиц – класс устройств для получения заряженных частиц (элементарных частиц, ионов) высоких энергий.
• Принцип работы всех ускорителей – заряженные частицы ускоряются под действием электрического поля, магнитное же поле, создавая силу Лоренца, отклоняет частицу, не изменяя ее энергии, и задает орбиту, по которой движутся частицы.

Ускорители элементарных частиц

Ускорители элементарных частиц

• Понятием «фундаментальная частица» физики заменили понятие «элементарная частица» в надежде на то, что теперь, наконец, они добрались до «самых первоначал» материи.
• Простой подсчет показывает, что фундаментальных частиц много: 6 лептонов и 6 антилептонов, 18 кварков (6 кварков трех цветов) и 18 антикварков. Всего получается 48 фундаментальных частиц .
• К «истинно элементарным» частицам относят также 13 частиц - переносчиков различных видов взаимодействий.
• Итого - по современным представлениям, в основе мироздания лежит 61 вид частиц . Многие физики считают, что они еще «в пути», то есть поиск истинных первоначал материи не завершен.

Спасибо за внимание!