Досье на фундаментальные частицы

Приложение А. Полицейский архив. Досье на фундаментальные частицы

На протяжении всей этой книги мы старались делать все перечни как можно короче. «Стандартная модель» физики частиц поразительно хороша именно потому, что ее перечень частиц (хотя и довольно длинный) крайне прост. «Материя» Вселенной состоит из двух фундаментальных типов частиц — из кварков и лептонов. Каждая группа подразделяется затем на три « поколения », в каждом из которых имеется две частицы, у одной из которых заряд отрицательнее, чем у другой. Мы разбили наш список на поколения, и вы увидите, что у всех частиц много общего. Кроме того, это удобное пособие для интерпретации наших забавных картинок.

Лептоны

 


 

090211 1753 11 Досье на фундаментальные частицы

090211 1753 12 Досье на фундаментальные частицы

090211 1753 13 Досье на фундаментальные частицы

| Название 

Электрон 

Мюон 

Тау-лептон 

Заряд 

-1 

-1 

-1 

Масса 

0,026% протона 

11,3% протона

190% протона 

Первооткрыватель 

Дж.-Дж.

Томсон

(1897) 

Карл Андерсон

(1936) 

Мартин

Перл

(1975) 

 

 

 

 

Это — заряженные лептоны. Они держат заряды в шляпах. Поскольку они заряжены, то взаимодействуют с электромагнитной силой. Кроме того, все лептоны вступают в слабое взаимодействие, и все частицы подвержены гравитации (поэтому в дальнейшем мы не будем об атом упоминать). Электрон — единственный, который мы видим в обычных условиях. Мюон распадается за миллионную долю секунды, а тау-лептон — еще быстрее.

 

090211 1753 14 Досье на фундаментальные частицы

090211 1753 15 Досье на фундаментальные частицы

090211 1753 16 Досье на фундаментальные частицы

Название 

Электронное

Мю-нейтрино

Тау-нейрино

 

нейтрино

   
       

Заряд 

0 

0 

0 

Масса 

? 

? 

? 

Перво- 

Клайд 

Леон 

Группа 

открыва- 

Коуэя 

Ледермаи 

DONUT,

тель 

и др. 

и др. (1962) 

лаборатория

 

(1956) 

 

им. Ферми, 

     

Батавия, 

     

Иллинойс 

     

(2000) 

У этих ребят нет шляп, а значит, нет и электрического заряда. Если они похожи друг на друга, в этом нет ничего удивительного. Разные типы нейтрино превращаются друг в друга без предупреждения (просто меняются галстуками) и даже вроде бы безо всякого взаимодействия. Эта «нейтринная осцилляция» (которая была подтверждена экспериментально на детекторе «КамЛАНД» возле японского города Тояма в 2003 году) означает, что нейтрино должны обладать массой. Но какой? Сказать очень трудно, но верхний предел для электронного нейтрино — меньше чем 0,3% массы электрона. Пределы для остальных двух видов нейтрино, однако, куда выше, и масса тау-нейтрино, согласно последним измерениям, может быть в целых 30 раз больше массы электрона. С другой стороны, она может быть и гораздо меньше.

Названия каждого нейтрино происходят потому, что каждое из них напрямую ассоциируется с распадом или взаимодействием электрона в случае электронного нейтрино, мюона — мю-нейтрино и тау-лептона — тау-нейтрино.

На картинке про распад нейтрона вы, наверное, заметили, что у антинейтрино есть бородка. Это — дань уважения классическому эпизоду «Звездного пути» под названием «Зеркало, зеркало» (сезон 2, серия 33), в котором злой «анти-Спок» щеголял растительностью на лице. Этим же отличаются все наши античастицы.

Кварки

 

090211 1753 17 Досье на фундаментальные частицы

090211 1753 18 Досье на фундаментальные частицы

090211 1753 19 Досье на фундаментальные частицы

Название

u-кварк

c-кварк

t-кварк

Заряд

+2/3

+2/3

+2/3

Масса 

-0,4% массы протона 

-130% массы протона 

-180 масс протона 

Первооткрыватель 

Стэнфордский

линейный

ускоритель,

эксперимент

по «глубоко

неупругому

рассеянию»

(1967) 

Независимо Тинги Рихтер (1974) 

Теватрон в лаборатории

им, Ферми (1995) 

 

 

Все это положительно заряженные кварки. Выглядят они очень похожими за одним исключением —’ каждое следующее поколение становится все более пухленьким. Г-кварк — самая мясистая из известных частиц. Он прямо-таки лопается по швам. Кроме того, это самая последняя из обнаруженных частиц.

Вы были бы вправе обвинить нас в недобросовестности, если бы мы не рассказали вам о некоей загадке, таящейся в нашей таблице. Вы заметили, что u-кварк обладает массой примерно в 0,4% массы протона. Это несколько странно, поскольку протон делают из двух н-кварков и одного d-кварка, а значит, заметите вы, все кварки вместе составляют еле-еле 1-2% массы протона. Откуда же берется вся остальная масса?

Вся остальная масса берется из энергии. Кварки, как и глюоны, летают очень быстро и взаимодействуют очень сильно, и подобно тому, как массу можно превратить в энергию, энергию можно превратить в массу. Если вам показалось странным, что поле Хиггса способно «создавать» массу, считайте это всего лишь очередным случаем, когда Е = тс2 применяется в обратную сторону.

 

 

 

 

 

 

090211 1753 110 Досье на фундаментальные частицы

090211 1753 111 Досье на фундаментальные частицы

090211 1753 112 Досье на фундаментальные частицы

Название 

d-кварк

s-кварк (странный)

Ь-кварк 

Заряд 

1/3

1/3

1/3

Масса 

-0,8% массы протона 

-10% массы протона 

4 1/2 массы протона

Первооткрыватель 

Стэнфордский

линейный

акселератор,

вместе

с и-кварком

(1967) 

Вместе с открытием каона (1947) 

Леон Ледерман и др. (1977) 

 

Это отрицательно заряженные кварки. Самый странный из них — странный кварк. Когда в 1947 году были открыты частицы под названием каоны, сначала показалось, что они совершенно бессмысленны. Они распадались на частицы вроде антимюонов и нейтрино, но были настолько массивны (около половины массы протона), что не согласовывались ни с одной из известных на то время частиц.

Лишь в 1964 году, когда Мюррей Гелл-Манн выдвинул идею кварка, стало ясно, что каоны распадаются на антистранный кварк и либо и-кварк, либо d-кварк. Странные кварки отличаются от прочих тем, что мы их открыли, еще не догадываясь, что они есть.

 

 

Переносчики взаимодействия

 

090211 1753 113 Досье на фундаментальные частицы

090211 1753 114 Досье на фундаментальные частицы

Изображение недоступно

Название 

Фотон 

Глюон 

Гравитон

Заряд 

0 

0 

0 

Масса 

0

0 

0 

Первооткрыватель 

Альберт

Эйнштейн

(1905) 

Группа

TASSO,

Германский

электронный

синхротрон

(1979) 

Оставайтесь с нами, ждите новостей… 

 

Это частицы-переносчики, лишенные массы,— носители трех из фундаментальных сил. Немного странно вписывать сюда дату открытия фотона — мы «наблюдаем» его постоянно. Однако интерпретация фотоэффекта, которую сделал Эйнштейн в 1905 году,— это момент, когда мы впервые поняли , что свет переносят частицы. Глюоны были обнаружены лишь около 30 лет назад.

Гравитоны, переносчики гравитационного поля, не только не обнаружены, но, согласно общей теории относительности, не очень-то и нужны. Однако есть веские причины предполагать, что гравитация должна быть похожа на остальные фундаментальные силы, а значит, у нее должен быть переносчик.

 

 

090211 1753 115 Досье на фундаментальные частицы

090211 1753 116 Досье на фундаментальные частицы

090211 1753 117 Досье на фундаментальные частицы

Название 

Z0

W+

W

1 Заряд 

0 

+1 

-1

Масса 

97,5 массы протона 

86 масс протона 

86 масс протона 

Первооткрыватель 

ЦЕРН, группа UA1 (1983)

ЦЕРН, группа UA1 (1983)

ЦЕРН, группа UA1 (1983)

 

Эти пухленькие частицы отвечают за перенос слабого взаимодействия. Обратите внимание, что они очень похожи друг на друга, если не считать надписей на шляпах. Это не случайность. На самом деле W+ и W
такие близкие родственники, что являются друг для друга античастицами. Один из величайших триумфов теоретической физики XX века — вычисление отношения масс Z/W, примерно 1,13. Это предсказание было сделано на основе модели Хиггса, а затем подтвердилось экспериментально с поразительной точностью.

 

И наш герой: 090211 1753 118 Досье на фундаментальные частицы.

 

Частица Хиггса. Она лишена заряда, но не обаяния. Это единственная частица в стандартной модели, которую еще не открыли, поэтому мы не знаем, какой именно массой она обладает. Скорее всего, это от 120 до 200 масс протона. Поскольку он вступает в сильное взаимодействие с массивными частицами, у него складываются запутанные и сложные отношения с f-кварком.


ПУТЕШЕСТВИЕ ВО ВРЕМЕНИ >>


Найти на unnatural: Досье на фундаментальные частицы
Автор: admin | 2 Сентябрь 2011 | 386 просмотров

Новые статьи:

Оставить комментарий:

Все размещенные на сайте материалы без указания первоисточника являются авторскими. Любая перепечатка информации с данного сайта должна сопровождаться ссылкой, ведущей на www.unnatural.ru.
Rambler's Top100