مدل استاندارد ذرات بنیادی برای آدمک ها. فراتر از مدل استاندارد: آنچه ما در مورد جهان نمی دانیم. مدل استاندارد و الکترومغناطیس

دنیای ذرات بنیادی از قوانین کوانتومی پیروی می کند و هنوز به طور کامل درک نشده است. مفهوم تعیین کننده در ساخت مدل های مختلف برهمکنش ذرات بنیادی، مفهوم تقارن است که به عنوان ویژگی ریاضی تغییر ناپذیری فرآیندهای برهمکنش تحت تبدیل های مختلف مختصات یا پارامترهای داخلی مدل درک می شود. این گونه دگرگونی ها گروه هایی به نام گروه های تقارن را تشکیل می دهند.

بر اساس مفهوم تقارن است که مدل استاندارد ساخته شده است. اول از همه، دارای تقارن فضا-زمان نسبت به چرخش ها و جابه جایی های فضا-زمان است. گروه تقارن مربوطه را گروه لورنتس (یا پوانکاره) می نامند. این تقارن با استقلال پیش بینی ها از انتخاب چارچوب مرجع مطابقت دارد. علاوه بر این، گروه هایی از تقارن داخلی - تقارن با توجه به چرخش در فضای "ایزوسپین" و "رنگ" (به ترتیب در مورد برهمکنش های ضعیف و قوی) وجود دارد. همچنین گروهی از چرخش های فاز مرتبط با فعل و انفعالات الکترومغناطیسی وجود دارد. این تقارن ها با قوانین بقای بار الکتریکی، بار "رنگی" و غیره مطابقت دارند. گروه تقارن داخلی کامل مدل استاندارد، به دست آمده بر اساس تجزیه و تحلیل داده های تجربی متعدد، محصول گروه های واحد SU(3) x SU(2) x U(1) است. همه ذرات مدل استاندارد به نمایش های متفاوتی از گروه های تقارن تعلق دارند و ذرات اسپین های مختلف هرگز با هم مخلوط نمی شوند.

مدل استاندارد- یک نظریه مدرن در مورد ساختار و تعاملات ذرات بنیادی، این نظریه مبتنی بر تعداد بسیار کمی از فرضیه ها است و به فرد اجازه می دهد تا به صورت نظری خواص فرآیندهای مختلف در دنیای ذرات بنیادی را پیش بینی کند. برای توصیف خواص و برهمکنش‌های ذرات بنیادی، از مفهوم میدان فیزیکی استفاده می‌شود که با هر ذره مرتبط است: الکترون، میون، کوارک و غیره. میدان شکل خاصی از توزیع ماده در فضا است. میدان های مرتبط با ذرات بنیادی دارند طبیعت کوانتومی. ذرات بنیادی کوانتوم های میدان های مربوطه هستند. ابزار کار مدل استاندارد نظریه میدان کوانتومی است. نظریه میدان کوانتومی (QFT) است مبنای نظریتوصیف ریز ذرات، برهمکنش ها و تبدیل های آنها. دستگاه ریاضی نظریه کوانتومیمیدان (QFT) به ما اجازه می دهد تا تولد و تخریب یک ذره را در هر نقطه فضا-زمان توصیف کنیم.

مدل استاندارد سه نوع برهمکنش الکترومغناطیسی، ضعیف و قوی را توصیف می کند. برهم کنش گرانشی بخشی از مدل استاندارد نیست.

سوال اصلی برای توصیف دینامیک ذرات بنیادی، مسئله انتخاب سیستم میدان های اولیه است. در مورد انتخاب ذرات (و، بر این اساس، میدان ها) که باید اساسی ترین (بنیادی) در توصیف ذرات مشاهده شده ماده در نظر گرفته شوند. مدل استاندارد ذرات بدون ساختار را با اسپین ½ به عنوان ذرات بنیادی انتخاب می کند: سه جفت لپتون ( , ( و سه جفت کوارک که معمولاً در سه نسل گروه بندی می شوند.

همه مواد از کوارک ها، لپتون ها و ذرات - حامل برهم کنش ها - تشکیل شده اند.

امروزه مدل استاندارد نظریه ای نامیده می شود که ایده های ما را به بهترین نحو منعکس می کند منبع مواد، که جهان در ابتدا از آن ساخته شد. همچنین چگونگی شکل گیری ماده از این اجزای اساسی و نیروها و مکانیسم های تعامل بین آنها را توضیح می دهد.

از نقطه نظر ساختاری، ذرات بنیادی تشکیل دهنده هسته اتم ( نوکلئون هاو به طور کلی تمام ذرات سنگین - هادرون ها (باریون هاو مزون ها) - از ذرات ساده تری تشکیل شده است که معمولاً به آنها بنیادی می گویند. این نقش عناصر اولیه واقعاً اساسی ماده توسط کوارک هاکه بار الکتریکی آن برابر با 2/3 یا 1/3 واحد بار مثبت یک پروتون است. رایج ترین و سبک ترین کوارک ها نامیده می شوند بالاو پایین ترو به ترتیب نشان دهید تو(از انگلیسی بالا) و د(پایین). گاهی اوقات به آنها نیز گفته می شود پروتونو نوترونکوارک به دلیل این واقعیت است که پروتون از ترکیبی تشکیل شده است uudو نوترون - uddکوارک بالا دارای بار 2/3 است. پایین - بار منفی -1/3. از آنجایی که یک پروتون از دو کوارک بالا و یک کوارک پایین تشکیل شده است و یک نوترون از یک کوارک بالا و دو کوارک پایین تشکیل شده است، می توانید به طور مستقل تأیید کنید که بار کل یک پروتون و نوترون کاملاً برابر با 1 و 0 است و مطمئن شوید که مدل استاندارد به اندازه کافی واقعیت را توصیف می کند. دو جفت کوارک دیگر بخشی از ذرات عجیب و غریب تر هستند. کوارک های جفت دوم نامیده می شوند مسحور شده - ج(از افسون شده) و عجیب - س(از عجیب). جفت سوم است درست است - تی(از حقیقت، یا به زبان انگلیسی سنت ها بالا) و زیبا - ب(از زیبایی، یا به زبان انگلیسی سنت ها پایین) کوارک ها تقریباً تمام ذرات پیش‌بینی‌شده توسط مدل استاندارد و متشکل از ترکیب‌های مختلف کوارک‌ها قبلاً به‌طور تجربی کشف شده‌اند.

مجموعه ساختمانی دیگر از آجر تشکیل شده است به نام لپتون هارایج ترین لپتون ها - مدت هاست که برای ما آشناست الکترون، در ساختار اتم ها گنجانده شده است، اما در فعل و انفعالات هسته ای شرکت نمی کند و محدود به فعل و انفعالات بین اتمی است. علاوه بر آن (و پادذره همتای آن به نام پوزیترونلپتون ها شامل ذرات سنگین تری هستند - میون و لپتون تاو با پادذراتشان. علاوه بر این، هر لپتون با ذره بدون بار خود با جرم سکون صفر (یا تقریباً صفر) مرتبط است. چنین ذرات به ترتیب الکترون، میون یا تاون نامیده می شوند نوترینو.

بنابراین، لپتون ها مانند کوارک ها نیز سه "جفت خانواده" را تشکیل می دهند. این تقارن از چشم ناظران نظریه پردازان دور نمانده است، اما هنوز توضیح قانع کننده ای برای آن ارائه نشده است. به هر حال، کوارک ها و لپتون ها مواد اولیه ساختمانی جهان را نشان می دهند.

برای درک روی دیگر سکه - ماهیت نیروهای برهمکنش بین کوارک ها و لپتون ها - باید درک کنید که فیزیکدانان نظری مدرن چگونه مفهوم نیرو را تفسیر می کنند. یک قیاس به ما در این امر کمک خواهد کرد. دو قایقران را در حال پارو زدن در جهت مخالف در رودخانه کمبریج تصور کنید. یکی از پاروزنان، از روی سخاوت، تصمیم گرفت از همکارش شامپاین پذیرایی کند و در حالی که از کنار هم عبور می کردند، یک بطری پر از شامپاین را برای او پرتاب کرد. در نتیجه قانون بقای تکانه، هنگامی که پاروزن اول بطری را پرتاب کرد، مسیر قایق او از مسیر مستقیم در جهت مخالف منحرف شد و هنگامی که ردیف دوم بطری را گرفت، حرکت آن به او منتقل شد. و قایق دوم نیز از مسیر مستقیم منحرف شد، اما در جهت مخالف. بنابراین، در نتیجه تبادل شامپاین، هر دو قایق تغییر جهت دادند. طبق قوانین مکانیک نیوتن، این بدان معنی است که برهمکنش نیرو بین قایق ها رخ داده است. اما قایق ها مستقیماً با یکدیگر تماس نداشتند؟ در اینجا ما هم به وضوح می بینیم و هم به طور شهودی درک می کنیم که نیروی تعامل بین قایق ها توسط حامل ضربه - بطری شامپاین - منتقل شده است. فیزیکدانان آن را صدا می کنند حامل تعامل

دقیقاً به همین ترتیب، فعل و انفعالات نیرو بین ذرات از طریق تبادل ذرات حامل این فعل و انفعالات رخ می دهد. در واقع، ما بین نیروهای بنیادی برهمکنش بین ذرات تمایز قائل می شویم تا جایی که ذرات مختلف به عنوان حامل این برهمکنش ها عمل می کنند. چهار چنین تعامل وجود دارد: قوی(این است که کوارک ها را درون ذرات نگه می دارد) الکترومغناطیسی, ضعیف(این است که منجر به برخی از اشکال واپاشی رادیواکتیو می شود) و گرانشیحامل های تعامل رنگ قوی هستند گلوئون هاکه نه جرم دارند و نه بار الکتریکی. این نوع برهمکنش توسط کرومودینامیک کوانتومی توصیف می شود. برهمکنش الکترومغناطیسی از طریق تبادل کوانتوم های تابش الکترومغناطیسی رخ می دهد که به آنها می گویند. فوتون هاو همچنین فاقد جرم است . برعکس، تعامل ضعیف به صورت گسترده منتقل می شود برداریا بوزون های گیجوزن آنها 80 تا 90 برابر بیشتر از یک پروتون است، اولین بار در شرایط آزمایشگاهی تنها در اوایل دهه 1980 کشف شد. در نهایت، برهمکنش گرانشی از طریق تبادل اجسامی که جرم خود را ندارند، منتقل می شود گراویتون ها- این واسطه ها هنوز به طور تجربی شناسایی نشده اند.

در چارچوب مدل استاندارد، سه نوع اول از برهمکنش های بنیادی با هم ترکیب شده اند و دیگر به طور جداگانه در نظر گرفته نمی شوند، بلکه سه جلوه متفاوت از نیروی ماهیت واحد در نظر گرفته می شوند. در بازگشت به قیاس، فرض کنید که یک جفت پاروزن دیگر که روی رودخانه کم از کنار هم می گذرند، نه یک بطری شامپاین، بلکه فقط یک لیوان بستنی رد و بدل کردند. از این رو، قایق ها نیز در جهت مخالف، اما بسیار ضعیف تر، از مسیر منحرف می شوند. برای یک ناظر خارجی، ممکن است به نظر برسد که در این دو مورد نیروهای متفاوتی بین قایق ها عمل کرده اند: در مورد اول، تبادل مایع وجود دارد (من پیشنهاد می کنم بطری را نادیده بگیریم، زیرا بیشتر ما به محتویات آن علاقه مند هستیم). و در دومی بدنه جامد (بستنی). حالا تصور کنید که در کمبریج آن روز گرمای تابستانی نادری برای مناطق شمالی وجود داشت و بستنی در پرواز آب می شد. یعنی افزایش جزئی دما برای درک این موضوع کافی است که در واقع این برهمکنش بستگی به این ندارد که جسم مایع یا جامد به عنوان حامل آن عمل کند. تنها دلیلی که به نظر ما می رسید که نیروهای مختلف بین قایق ها عمل می کنند، تفاوت خارجی حامل بستنی بود که به دلیل دمای ناکافی برای ذوب شدن آن ایجاد می شد. دما را افزایش دهید - و نیروهای برهمکنش به وضوح یکپارچه به نظر می رسند.

نیروهایی که در کیهان عمل می‌کنند نیز در انرژی‌های بالا (درجه حرارت) تعامل با هم ترکیب می‌شوند و پس از آن تشخیص آنها غیرممکن است. اول متحد شدن(این همان چیزی است که معمولاً به آن می گویند) برهمکنش های هسته ای و الکترومغناطیسی ضعیف. در نتیجه، ما به اصطلاح دریافت می کنیم تعامل الکتریکی ضعیف، حتی در آزمایشگاه در انرژی های توسعه یافته توسط شتاب دهنده های ذرات مدرن مشاهده شده است. در اوایل کیهان، انرژی ها به حدی بالا بود که در 10 تا 10 ثانیه اول پس از انفجار بزرگهیچ خط جدایی بین نیروهای ضعیف هسته ای و الکترومغناطیسی وجود نداشت. تنها پس از کاهش میانگین دمای کیهان به 10 14 کلوین، هر چهار فعل و انفعال نیرو که امروزه مشاهده می‌شوند از هم جدا شدند و شکل مدرن خود را به خود گرفتند. در حالی که دما بالاتر از این علامت بود، تنها سه نیروی اساسی در کار بودند: نیروی قوی، ترکیبی از برهمکنش های الکتریکی ضعیف و گرانشی.

یکپارچگی فعل و انفعالات هسته ای ضعیف و قوی در دماهای حدود 10 27 کلوین رخ می دهد. در شرایط آزمایشگاهی، امروزه چنین انرژی هایی دست نیافتنی هستند. قدرتمندترین شتاب دهنده مدرن - برخورد دهنده بزرگ هادرون که در حال حاضر در مرز فرانسه و سوئیس در حال ساخت است - قادر خواهد بود ذرات را به انرژی هایی شتاب دهد که تنها 0.000000001٪ انرژی مورد نیاز برای ترکیب نیروهای هسته ای ضعیف و قوی هستند. بنابراین، احتمالاً باید مدت طولانی برای تأیید آزمایشی این یکسان سازی صبر کنیم. چنین انرژی هایی در جهان مدرن وجود ندارد، با این حال، در 10-35 ثانیه اول وجود آن، دمای جهان بالاتر از 10 27 K بود و تنها دو نیرو در جهان عمل کردند - الکترواسترانگو برهم کنش گرانشی نظریه هایی که این فرآیندها را توصیف می کنند "نظریه های یکپارچه بزرگ" (GUT) نامیده می شوند. GUT ها را نمی توان مستقیماً تأیید کرد، اما آنها همچنین پیش بینی های خاصی را در مورد فرآیندهایی که در انرژی های پایین تر اتفاق می افتد انجام می دهند. تا به امروز، تمام پیش بینی های TVO برای نسبتا دمای پایینو انرژی ها به صورت تجربی تایید می شوند.

بنابراین، مدل استاندارد، در شکل تعمیم‌یافته‌اش، نظریه‌ای درباره ساختار جهان است که در آن ماده از کوارک‌ها و لپتون‌ها تشکیل شده و برهم‌کنش‌های قوی، الکترومغناطیسی و ضعیف بین آن‌ها توسط نظریه‌های وحدت بزرگ توصیف می‌شود. چنین مدلی بدیهی است که ناقص است، زیرا گرانش را شامل نمی شود. احتمالاً در نهایت یک نظریه کاملتر ایجاد خواهد شد ( سانتی مترنظریه های جهانی)، و امروزه مدل استاندارد بهترین چیزی است که ما داریم.

"عناصر"

یک کشف اخیر توسط تیمی از دانشمندان به رهبری Joaquim Mathias برای اولین بار به طور جدی پایه های فیزیک ذرات مدرن، یعنی مدل استاندارد را متزلزل کرد. محققان توانستند یک نوع غیر استاندارد از فروپاشی ذره B-مزون را پیش‌بینی کنند که این مدل آن را در نظر نمی‌گیرد. علاوه بر این، تقریباً بلافاصله حدس های آنها به صورت تجربی تأیید شد.

لازم به ذکر است که در اخیرافیزیکدانان درگیر در مطالعه ذرات بنیادی به طور فزاینده ای می گویند که این رشته قبلاً در چارچوب مدل استاندارد آشنا بسیار تنگ شده است. در واقع، بسیاری از پدیده ها قبلاً ثبت شده اند که توضیح آنها در چارچوب آن دشوار است. برای مثال، این مدل نمی‌تواند پیش‌بینی کند که چه ذراتی ممکن است ماده تاریک را تشکیل دهند، و همچنین به سؤالی که مدت‌ها دانشمندان را عذاب می‌داد پاسخ نمی‌دهد - چرا ماده در جهان ما بیشتر از پادماده است (عدم تقارن باریونی). و تفسیر فرسایشی فرآیند تبدیل سرد هسته‌ها، که چندی پیش در مورد آن نوشتیم، فراتر از "عمل" همان مدل استاندارد است.

با این وجود، اکثر فیزیکدانان هنوز به این روش خاص برای توضیح زندگی اسرارآمیز ذرات بنیادی پایبند هستند. تا حدی به این دلیل که هیچ کس هنوز چیزی بهتر از این را ایجاد نکرده است، تا حدی به این دلیل که بیشتر پیش بینی های مدل استاندارد هنوز تأیید تجربی دارند (که نمی توان در مورد فرضیه های جایگزین گفت). علاوه بر این، تا همین اواخر امکان یافتن انحرافات جدی از این مدل در آزمایشات وجود نداشت. با این حال، به نظر می رسد که این اتفاق نه چندان دور رخ داده است. این می تواند به معنای به دنیا آمدن کامل باشد نظریه جدیدفیزیک ذرات، که بر اساس آن مدل استاندارد فعلی شبیه یک مورد خاص خواهد بود - درست مانند نظریه نیوتن جاذبه جهانیبه نظر یک مورد خاص از گرانش در چارچوب است نظریه عمومینسبیت

همه چیز با این واقعیت شروع شد که یک گروه بین المللی از فیزیکدانان به رهبری یوآکیم ماتیاس چندین پیش بینی در مورد اینکه کدام انحراف در احتمال واپاشی مزون B می تواند از مدل استاندارد منحرف شود و فیزیک جدید را نشان دهد، انجام دادند. به شما یادآوری می کنم که مزون B ذره ای متشکل از یک کوارک b و یک آنتی کوارک d است. طبق مدل استاندارد، این ذره می تواند به یک میون (ذره ای با بار منفی، اساساً یک الکترون بسیار سنگین) و یک آنتی میون تجزیه شود، اگرچه احتمال چنین رویدادی خیلی زیاد نیست. با این حال، سال گذشته در کنفرانسی در کیوتو، فیزیکدانانی که در برخورددهنده بزرگ هادرون کار می‌کردند گزارش دادند که توانستند آثاری از چنین فروپاشی (و با احتمالی که از نظر تئوری پیش‌بینی شده بود) را شناسایی کنند.

گروه ماتیاس معتقد بودند که این مزون باید به روشی کمی متفاوت تجزیه شود - به یک جفت میون و یک ذره هنوز ناشناخته K* که تقریباً بلافاصله به یک کائون و یک پیون (دو مزون سبک تر) تجزیه می شود. شایان ذکر است که دانشمندان نتایج تحقیقات خود را در 19 ژوئیه در نشست انجمن فیزیک اروپا گزارش کردند و سخنران بعدی از کسانی که در این رویداد صحبت کردند (این فیزیکدان نیکلاس سرا از همکاری LHCb از هادرون بزرگ بود. Collider) گزارش داد که گروه او موفق به ثبت آثاری از این قبیل پوسیدگی ها شده است. علاوه بر این، نتایج تجربی گروه سرا تقریباً به طور کامل با انحرافات پیش بینی شده در گزارش دکتر ماتیاس و همکارانش مطابقت داشت!

جالب اینجاست که فیزیکدانان این نتایج را با اهمیت آماری 4.5σ تخمین می زنند که به این معنی است که قابلیت اطمینان رویداد توصیف شده بسیار بسیار بالا است. اجازه دهید به شما یادآوری کنم که شواهد تجربی سه σ به عنوان نتایج مهم در نظر گرفته می شود، و پنج σ یک کشف کاملاً انجام شده در نظر گرفته می شود - این ارزش پایایی است که به نتایج آزمایش های سال گذشته اختصاص داده شد، که در نهایت آثاری از وجود بوزون هیگز

با این حال، خود دکتر ماتیاس معتقد است که هنوز نیازی به عجله در نتیجه گیری نیست. برای تایید این نتایج به داده های بیشتری نیاز است. تحقیق نظریو همچنین اندازه گیری های جدید. با این حال، اگر نتیجه‌گیری‌های ما واقعاً درست باشد، با اولین تأیید مستقیم وجود فیزیک جدید روبرو خواهیم شد - نظریه‌ای که کلی‌تر از مدل استاندارد پذیرفته شده عمومی‌تر است. این دانشمند می گوید: اگر بوزون هیگز بالاخره پازل مدل استاندارد را کنار هم بگذارد، این نتایج ممکن است اولین قطعه از یک پازل جدید باشد - بسیار بزرگتر.

در فیزیک، ذرات بنیادی اشیایی فیزیکی در مقیاس هسته اتم بودند که نمی توان آنها را به اجزای سازنده آنها تقسیم کرد. با این حال، امروزه دانشمندان موفق به تقسیم برخی از آنها شده اند. ساختار و خواص این اجسام کوچک توسط فیزیک ذرات مطالعه می شود.

کوچکترین ذرات تشکیل دهنده همه مواد از زمان های قدیم شناخته شده اند. با این حال، بنیانگذاران به اصطلاح «اتمیسم» را فیلسوف می دانند یونان باستانلوکیپوس و شاگرد مشهورترش، دموکریتوس. فرض بر این است که دومی اصطلاح "اتم" را ابداع کرده است. از یونانی باستان "اتوموس" به "تقسیم ناپذیر" ترجمه شده است که دیدگاه های فیلسوفان باستان را تعیین می کند.

بعدها مشخص شد که اتم هنوز می تواند به دو جسم فیزیکی - هسته و الکترون - تقسیم شود. دومی متعاقباً به اولین ذره بنیادی تبدیل شد، زمانی که در سال 1897 جوزف تامسون انگلیسی آزمایشی با پرتوهای کاتدی انجام داد و متوجه شد که آنها جریانی از ذرات یکسان با جرم و بار یکسان هستند.

به موازات کار تامسون، هانری بکرل که تابش اشعه ایکس را مطالعه می کند، آزمایش هایی با اورانیوم انجام می دهد و کشف می کند. ظاهر جدیدتشعشع در سال 1898، یک جفت فیزیکدان فرانسوی، ماری و پیر کوری، مواد مختلف رادیواکتیو را مطالعه کردند و همین موضوع را کشف کردند. تشعشعات رادیواکتیو. بعداً مشخص خواهد شد که شامل آلفا (2 پروتون و 2 نوترون) و ذرات بتا (الکترون) است و بکرل و کوری دریافت خواهند کرد. جایزه نوبل. ماری اسکلودوسکا کوری در حین انجام تحقیقات خود بر روی عناصری مانند اورانیوم، رادیوم و پولونیوم هیچ گونه اقدامات ایمنی از جمله استفاده نکردن از دستکش را انجام نداد. در نتیجه، در سال 1934 سرطان خون از او سبقت گرفت. به یاد دستاوردهای دانشمند بزرگ، عنصر کشف شده توسط زوج کوری، پولونیوم، به افتخار سرزمین مادری مریم - پولونیا، از لاتین - لهستان نامگذاری شد.

عکس از کنگره V Solvay 1927. سعی کنید تمام دانشمندان این مقاله را در این عکس پیدا کنید.

از سال 1905، آلبرت اینشتین انتشارات خود را به نقص اختصاص داده است نظریه موجنور، که فرضیات آن با نتایج تجربی در تضاد بود. که متعاقباً فیزیکدان برجسته را به ایده "کوانتوم نور" - بخشی از نور هدایت کرد. بعداً، در سال 1926، توسط شیمیدان فیزیک آمریکایی گیلبرت ان. لوئیس، آن را "فوتون"، ترجمه از یونانی "phos" ("نور") نامیدند.

در سال 1913، ارنست رادرفورد، فیزیکدان بریتانیایی، بر اساس نتایج آزمایش‌هایی که قبلاً در آن زمان انجام شده بود، خاطرنشان کرد که توده‌های هسته‌های بسیاری عناصر شیمیاییچند برابر جرم هسته هیدروژن هستند. بنابراین، او پیشنهاد کرد که هسته هیدروژن جزئی از هسته عناصر دیگر است. رادرفورد در آزمایش خود یک اتم نیتروژن را با ذرات آلفا تابش کرد که در نتیجه ذره خاصی را که ارنست آن را "پروتون" نامید، از "پروتوس" دیگر یونانی (اول، اصلی) ساطع کرد. بعداً به طور تجربی تأیید شد که پروتون یک هسته هیدروژن است.

بدیهی است که پروتون تنها جزء هسته عناصر شیمیایی نیست. این ایده به این دلیل است که دو پروتون در هسته یکدیگر را دفع می کنند و اتم فوراً متلاشی می شود. بنابراین، رادرفورد وجود ذره دیگری را فرض کرد که جرم دارد برابر جرمپروتون، اما بدون بار است. برخی از آزمایشات دانشمندان بر روی تعامل عناصر رادیواکتیو و سبکتر آنها را به کشف یک تشعشع جدید دیگر سوق داد. در سال 1932، جیمز چادویک تشخیص داد که از آن ذرات بسیار خنثی تشکیل شده است که او آنها را نوترون نامید.

بنابراین، بیشترین ذرات شناخته شده: فوتون، الکترون، پروتون و نوترون.

علاوه بر این، کشف اجسام زیرهسته ای جدید به یک رویداد فزاینده تبدیل شد و در حال حاضرحدود 350 ذره شناخته شده است که به طور کلی "ابتدایی" در نظر گرفته می شوند. آن‌هایی که هنوز تقسیم نشده‌اند، بدون ساختار در نظر گرفته می‌شوند و «بنیادی» نامیده می‌شوند.

اسپین چیست؟

قبل از حرکت به سمت جلو با نوآوری های بیشتر در زمینه فیزیک، ویژگی های همه ذرات باید مشخص شود. شناخته شده ترین، جدا از جرم و بار الکتریکی، اسپین است. این کمیت در غیر این صورت "تکانه زاویه ای ذاتی" نامیده می شود و به هیچ وجه با حرکت جسم زیرهسته ای به عنوان یک کل ارتباط ندارد. دانشمندان توانستند ذرات را با چرخش 0، ½، 1، 3/2 و 2 تشخیص دهند. برای تجسم چرخش، هرچند ساده، به عنوان ویژگی یک جسم، مثال زیر را در نظر بگیرید.

بگذارید یک جسم دارای یک چرخش برابر با 1 باشد. سپس چنین جسمی، وقتی 360 درجه بچرخد، به موقعیت اولیه خود باز می گردد. در هواپیما، این جسم می تواند یک مداد باشد که پس از یک چرخش 360 درجه، به موقعیت اولیه خود می رسد. در مورد چرخش صفر، مهم نیست که جسم چگونه بچرخد، همیشه یکسان به نظر می رسد، به عنوان مثال، یک توپ تک رنگ.

برای ½ چرخش، به جسمی نیاز دارید که با چرخش 180 درجه ظاهر خود را حفظ کند. این می تواند همان مداد باشد، فقط از هر دو طرف به صورت متقارن تیز شود. یک چرخش 2 به حفظ شکل هنگام چرخش 720 درجه نیاز دارد و یک چرخش 3/2 به 540 نیاز دارد.

این ویژگی بسیار است ارزش عالیبرای فیزیک ذرات

مدل استاندارد ذرات و فعل و انفعالات

داشتن مجموعه ای چشمگیر از ریز اشیاء تشکیل دهنده دنیای اطراف مادانشمندان تصمیم به ساختاربندی آنها گرفتند و به این ترتیب ساختار نظری معروفی به نام "مدل استاندارد" شکل گرفت. او سه برهمکنش و 61 ذره را با استفاده از 17 ذره اساسی توصیف می کند که برخی از آنها را مدت ها قبل از کشف پیش بینی کرده بود.

این سه تعامل عبارتند از:

• الکترومغناطیسی. بین ذرات باردار الکتریکی رخ می دهد. در یک مورد ساده که از مدرسه شناخته می شود، اجسام با بار مخالف جذب می شوند و اجسام با بار مشابه دفع می کنند. این از طریق به اصطلاح حامل برهمکنش الکترومغناطیسی - فوتون - اتفاق می افتد.
• قوی، در غیر این صورت - تعامل هسته ای. همانطور که از نام آن پیداست، عمل آن به اجسام از مرتبه هسته اتمی گسترش می یابد و مسئول جذب پروتون ها، نوترون ها و سایر ذرات متشکل از کوارک ها است. برهمکنش قوی توسط گلوئون انجام می شود.
• ضعیف در فواصل هزاران کوچکتر از اندازه هسته موثر است. لپتون ها و کوارک ها و همچنین پادذرات آنها در این برهمکنش شرکت می کنند. علاوه بر این، در صورت تعامل ضعیف، آنها می توانند به یکدیگر تبدیل شوند. حامل‌ها بوزون‌های W+، W− و Z0 هستند.

بنابراین مدل استاندارد به صورت زیر شکل گرفت. این شامل شش کوارک است که همه هادرون ها (ذراتی که در معرض برهمکنش قوی هستند) از آنها تشکیل شده است:

• بالا (u)؛
• مسحور (ج)؛
• true(t);
• پایین تر (d)؛
• عجیب (ها)؛
• شایان ستایش (ب).

واضح است که فیزیکدانان القاب زیادی دارند. 6 ذره دیگر لپتون هستند. این ذرات بنیادیبا چرخش ½، که در تعامل قوی شرکت نمی کنند.

• الکترون؛
• نوترینوی الکترونی؛
• میون;
• میون نوترینو؛
• تاو لپتون؛
• نوترینو تاو

و گروه سوم مدل استاندارد، بوزون های گیج هستند که دارای اسپین برابر با 1 هستند و به عنوان حامل برهمکنش ها نشان داده می شوند:

• گلوون - قوی؛
• فوتون - الکترومغناطیسی؛
• بوزون Z - ضعیف؛
• بوزون W ضعیف است.

اینها همچنین شامل ذره اسپین-0 است که اخیراً کشف شده است، که به بیان ساده، جرم بی اثر را به سایر اجسام زیرهسته ای منتقل می کند.

در نتیجه، طبق مدل استاندارد، جهان ما به این شکل است: همه مواد از 6 کوارک تشکیل شده اند که هادرون ها را تشکیل می دهند و 6 لپتون. همه این ذرات می توانند در سه برهمکنش شرکت کنند که حامل های آن بوزون های گیج هستند.

معایب مدل استاندارد

با این حال، حتی قبل از کشف بوزون هیگز، آخرین ذره ای که توسط مدل استاندارد پیش بینی شده بود، دانشمندان از حد خود فراتر رفته بودند. نمونه بارز این به اصطلاح است. "برهم کنش گرانشی" که امروزه با دیگران برابری می کند. احتمالاً حامل آن ذره ای با اسپین 2 است که جرمی ندارد و فیزیکدانان هنوز نتوانسته اند آن را تشخیص دهند - "گراویتون".

علاوه بر این، مدل استاندارد 61 ذره را توصیف می کند و امروزه بیش از 350 ذره در حال حاضر برای بشر شناخته شده است. این بدان معنی است که در به کار دست یافتفیزیکدانان نظری تمام نشده است.

طبقه بندی ذرات

فیزیکدانان برای آسان‌تر کردن زندگی خود، همه ذرات را بسته به ویژگی‌های ساختاری و سایر ویژگی‌هایشان گروه‌بندی کرده‌اند. طبقه بندی بر اساس معیارهای زیر است:

• زمان زندگی.
  1. پایدار. اینها شامل پروتون و پادپروتون، الکترون و پوزیترون، فوتون و گراویتون است. وجود ذرات پایدار محدود به زمان نیست، تا زمانی که در حالت آزاد باشند، یعنی. با چیزی تعامل نکن
  2. ناپایدار. همه ذرات دیگر پس از مدتی به اجزای سازنده خود متلاشی می شوند و به همین دلیل به آنها ناپایدار می گویند. به عنوان مثال، یک میون تنها 2.2 میکروثانیه، و یک پروتون - 2.9.10 * 29 سال زندگی می کند، پس از آن می تواند به یک پوزیترون و یک پیون خنثی تجزیه شود.
• وزن
  1. ذرات بنیادی بدون جرم که تنها سه مورد از آنها وجود دارد: فوتون، گلوئون و گراویتون.
  2. ذرات عظیم همه بقیه هستند.
• معنی چرخش.
  1. چرخش کامل، از جمله صفر، ذراتي به نام بوزون دارند.
  2. ذرات با اسپین نیمه صحیح فرمیون هستند.
• مشارکت در تعاملات.
  1. هادرون ها (ذرات ساختاری) اجرام زیرهسته ای هستند که در هر چهار نوع برهمکنش شرکت می کنند. قبلاً ذکر شد که آنها از کوارک ها تشکیل شده اند. هادرون ها به دو زیر گروه تقسیم می شوند: مزون ها (اسپین عدد صحیح، بوزون ها) و باریون ها (اسپین نیمه صحیح، فرمیون ها).
  2. بنیادی (ذرات بدون ساختار). اینها شامل لپتون‌ها، کوارک‌ها و بوزون‌های گیج می‌شوند (قبل‌تر بخوانید - "مدل استاندارد..").

پس از آشنایی با طبقه بندی همه ذرات، می توانید به عنوان مثال، برخی از آنها را به دقت شناسایی کنید. بنابراین نوترون فرمیون، هادرون یا بهتر است بگوییم باریون و نوکلئون است، یعنی دارای یک اسپین نیمه صحیح است، از کوارک ها تشکیل شده و در 4 برهم کنش شرکت می کند. نوکلئون نام رایج پروتون ها و نوترون ها است.

• جالب است که مخالفان اتمیسم دموکریتوس که وجود اتم ها را پیش بینی می کرد، اظهار داشتند که هر ماده ای در جهان به طور نامحدود تقسیم می شود. تا حدی ممکن است درست باشد، زیرا دانشمندان قبلاً موفق شده اند اتم را به یک هسته و یک الکترون، هسته را به یک پروتون و یک نوترون و اینها به نوبه خود به کوارک ها تقسیم کنند.
• دموکریتوس فرض کرد که اتم ها دارای یک الگوی واضح هستند شکل هندسیو بنابراین اتم های "تیز" آتش اتم های خشن را می سوزانند جامداتتوسط برآمدگی های خود محکم به هم چسبیده اند و اتم های آب صاف در حین برهم کنش می لغزند، در غیر این صورت جریان می یابند.
• جوزف تامسون مدل خود را از اتم گردآوری کرد که به نظر او جسمی با بار مثبت بود که به نظر می‌رسید الکترون‌ها در آن «گیر کرده‌اند». مدل او «مدل پودینگ آلو» نام داشت.
• کوارک ها نام خود را به لطف فیزیکدان آمریکایی موری گل مان به دست آوردند. دانشمند می خواست از کلمه ای شبیه به صدای کواک اردک (kwork) استفاده کند. اما در رمان جیمز جویس از بیدار شدن فینیگان با کلمه کوارک در ردیف «سه کوارک برای آقای مارک!» مواجه شد که معنای آن دقیقاً تعریف نشده است و ممکن است جویس آن را صرفاً برای قافیه به کار برده باشد. موری تصمیم گرفت ذرات را این کلمه بنامد، زیرا در آن زمان تنها سه کوارک شناخته شده بود.
• اگرچه فوتون ها، ذرات نور، بدون جرم هستند، اما به نظر می رسد که در نزدیکی سیاهچاله، مسیر حرکت خود را تغییر می دهند، زیرا توسط نیروهای گرانشی به سمت آن جذب می شوند. در واقع، یک جسم پرجرم فضا-زمان را خم می کند، به همین دلیل است که هر ذره، از جمله ذرات بدون جرم، مسیر حرکت خود را به سمت سیاهچاله تغییر می دهد (نگاه کنید به).
• برخورددهنده بزرگ هادرونی دقیقاً به این دلیل که با دو پرتوی هدایت‌شده از هادرون برخورد می‌کند، ذرات با ابعادی به ترتیب هسته اتمی که در همه برهم‌کنش‌ها شرکت می‌کنند.

ما از خود می پرسیم که چرا گروهی از افراد با استعداد و فداکار زندگی خود را وقف تعقیب اشیایی می کنند که آنقدر کوچک هستند که حتی دیده نمی شوند؟ در واقع، کاری که فیزیکدانان ذرات انجام می‌دهند مربوط به کنجکاوی انسان و میل به دانستن اینکه دنیایی که در آن زندگی می‌کنیم چگونه کار می‌کند است." شان کارول

اگر هنوز از عبارت می ترسید مکانیک کوانتومیو شما هنوز نمی دانید مدل استاندارد چیست - به گربه خوش آمدید. در نشریه ام سعی خواهم کرد تا حد امکان به سادگی و واضح مبانی دنیای کوانتومی و همچنین فیزیک ذرات بنیادی را توضیح دهم. ما سعی خواهیم کرد بفهمیم که تفاوت های اصلی بین فرمیون ها و بوزون ها چیست، چرا کوارک ها چنین نام های عجیبی دارند و در نهایت، چرا همه می خواستند بوزون هیگز را پیدا کنند.

ما از چه چیزی ساخته شده ایم؟

خوب، ما سفر خود را به جهان خرد با یک سوال ساده آغاز می کنیم: اجسام اطراف ما از چه چیزی ساخته شده اند؟ دنیای ما مانند یک خانه از بسیاری از آجرهای کوچک تشکیل شده است که وقتی به شکلی خاص با هم ترکیب شوند، نه تنها از نظر ظاهری، بلکه در خواص آن نیز چیز جدیدی ایجاد می کنند. در واقع، اگر به آنها دقت کنید، متوجه خواهید شد که انواع مختلفی از بلوک ها وجود ندارد، آنها فقط هر بار به روش های مختلف به یکدیگر متصل می شوند و اشکال و پدیده های جدیدی را تشکیل می دهند. هر بلوک یک ذره بنیادی غیرقابل تقسیم است که در داستان من مورد بحث قرار خواهد گرفت.

مثلاً مقداری ماده را در نظر بگیریم، بگذار عنصر دوم باشد جدول تناوبیمندلیف، گاز بی اثر، هلیوم. هلیوم مانند سایر مواد موجود در جهان از مولکول هایی تشکیل شده است که به نوبه خود از پیوند بین اتم ها تشکیل می شوند. اما در این مورد، برای ما، هلیوم کمی خاص است زیرا فقط از یک اتم تشکیل شده است.

یک اتم از چه چیزی تشکیل شده است؟

اتم هلیوم به نوبه خود از دو نوترون و دو پروتون تشکیل شده است که هسته اتمی را تشکیل می دهند که دو الکترون به دور آن می چرخند. جالب ترین چیز این است که تنها چیزی که در اینجا کاملاً غیرقابل تقسیم است الکترون.

لحظه جالب دنیای کوانتومی

چگونه کمترجرم یک ذره بنیادی، بیشتراو فضا را اشغال می کند به همین دلیل است که الکترون‌هایی که 2000 برابر سبک‌تر از پروتون هستند، مقدار زیادی را اشغال می‌کنند. فضای بیشتردر مقایسه با هسته یک اتم

نوترون ها و پروتون ها متعلق به گروه به اصطلاح هادرون ها(ذرات در معرض برهمکنش قوی)، و حتی دقیق تر، باریون ها.

هادرون ها را می توان به گروه هایی تقسیم کرد

• باریون ها که از سه کوارک تشکیل شده اند
• مزون ها که از یک جفت ذره- پاد ذره تشکیل شده اند

نوترون، همانطور که از نامش پیداست، دارای بار خنثی است و می تواند به دو کوارک پایین و یک کوارک بالا تقسیم شود. یک پروتون، ذره ای با بار مثبت، به یک کوارک پایین و دو کوارک بالا تقسیم می شود.

بله، بله، شوخی نمی کنم، واقعاً به آنها بالا و پایین می گویند. به نظر می رسد که اگر کوارک بالا و پایین و حتی الکترون را کشف کنیم، می توانیم از آنها برای توصیف کل جهان استفاده کنیم. اما این بیانیه بسیار دور از واقعیت خواهد بود.

مشکل اصلی این است که ذرات باید به نحوی با یکدیگر تعامل داشته باشند. اگر جهان فقط از این تثلیث (نوترون، پروتون و الکترون) تشکیل می شد، آنگاه ذرات به سادگی در اطراف گستره های وسیع فضا پرواز می کردند و هرگز در تشکیلات بزرگتر مانند هادرون جمع نمی شدند.

فرمیون ها و بوزون ها

مدت‌ها پیش، دانشمندان شکلی مناسب و مختصر برای نمایش ذرات بنیادی به نام مدل استاندارد ارائه کردند. معلوم می شود که تمام ذرات بنیادی به تقسیم می شوند فرمیون ها، که تمام ماده از آن تشکیل شده است و بوزون هاکه حمل می کنند انواع مختلففعل و انفعالات بین فرمیون ها

تفاوت این گروه ها بسیار واضح است. واقعیت این است که فرمیون ها برای زنده ماندن طبق قوانین دنیای کوانتومی به مقداری فضا نیاز دارند، اما برای بوزون ها وجود فضای آزاد تقریباً بی اهمیت است.

فرمیون ها

گروهی از فرمیون ها، همانطور که قبلا ذکر شد، مواد قابل مشاهده را در اطراف ما ایجاد می کنند. هر چیزی را که می بینیم، هر کجا که می بینیم، توسط فرمیون ها ایجاد می شود. فرمیون ها به دو دسته تقسیم می شوند کوارک ها، به شدت با یکدیگر تعامل دارند و بیشتر در داخل قفل شده اند ذرات پیچیدهمانند هادرون ها و لپتون ها، که مستقل از همنوعان خود آزادانه در فضا وجود دارند.

کوارک هابه دو گروه تقسیم می شوند.

• نوع بالا. کوارک های تاپ نوع، با بار +2\3، عبارتند از: تاپ، جذابیت و کوارک های واقعی
• نوع پایین. کوارک های نوع پایین تر با بار 1\3- عبارتند از: کوارک های پایین، عجیب و جذاب.

کوارک های بالا و پایین بزرگترین کوارک ها و کوارک های بالا و پایین کوچک ترین هستند. اینکه چرا به کوارک‌ها نام‌های غیرمعمول یا به‌طور صحیح‌تر «طعم» داده‌اند، هنوز برای دانشمندان موضوع بحث است.

لپتون هانیز به دو گروه تقسیم می شوند.

• گروه اول با بار "-1" شامل: الکترون، میون (ذره سنگین تر) و ذره تاو (جرم ترین) است.
• گروه دوم با بار خنثی شامل: نوترینو الکترونی، نوترینو میون و نوترینو تاو است.

نوترینو ذره کوچکی از ماده است که تشخیص آن تقریبا غیرممکن است. شارژ آن همیشه 0 است.

این سوال مطرح می شود که آیا فیزیکدانان چندین نسل دیگر از ذرات را پیدا خواهند کرد که حتی از نسل های قبلی پرجرم تر خواهند بود؟ پاسخ دادن به آن دشوار است، اما نظریه پردازان بر این باورند که نسل لپتون ها و کوارک ها به سه نسل محدود می شود.

آیا هیچ شباهتی نمی بینید؟ کوارک ها و لپتون ها هر دو به دو دسته تقسیم می شوند که در یک گروه با یکدیگر تفاوت دارند؟ اما بعداً در مورد آن بیشتر ...

بوزون ها

بدون آنها، فرمیون ها در یک جریان پیوسته در سراسر جهان پرواز می کنند. اما با تبادل بوزون‌ها، فرمیون‌ها نوعی تعامل با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. خود بوزون ها عملاً با یکدیگر تعامل ندارند.
در واقع، برخی از بوزون ها هنوز با یکدیگر برهم کنش دارند، اما این موضوع در مقالات بعدی در مورد مشکلات دنیای ریز با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

برهمکنش منتقل شده توسط بوزون ها عبارتند از:

• الکترومغناطیسی، ذرات فوتون هستند. نور با استفاده از این ذرات بدون جرم منتقل می شود.
• هسته ای قوی، ذرات گلوئون هستند. با کمک آنها، کوارک های هسته اتم به ذرات منفرد تجزیه نمی شوند.
• هسته ای ضعیف، ذرات - بوزون های ±W و Z. فرمیون ها با کمک آنها جرم، انرژی را منتقل می کنند و می توانند به یکدیگر تبدیل شوند.
• گرانشی ، ذرات - گراویتون ها. یک نیروی بسیار ضعیف در مقیاس کوچک. فقط روی اجسام فوق العاده قابل مشاهده می شود.

بند در مورد برهم کنش گرانشی.
وجود گراویتون ها هنوز به طور تجربی تایید نشده است. آنها فقط به عنوان یک نسخه نظری وجود دارند. در بیشتر موارد در مدل استاندارد در نظر گرفته نمی شوند.

تمام است، مدل استاندارد مونتاژ شده است.

مشکلات تازه شروع شده است

با وجود نمایش بسیار زیبای ذرات در نمودار، دو سوال باقی می ماند. ذرات جرم خود را از کجا می گیرند و چه هستند؟ بوزون هیگز، که از بقیه بوزون ها متمایز است.

برای درک ایده استفاده از بوزون هیگز، باید به نظریه میدان کوانتومی بپردازیم. صحبت کردن به زبان ساده، می توان ادعا کرد که کل جهان، کل جهان، از کوچکترین ذرات نیست، بلکه از بسیاری از میدان های مختلف تشکیل شده است: گلوئون، کوارک، الکترون، الکترومغناطیسی و غیره. در همه این زمینه ها، نوسانات جزئی دائما رخ می دهد. اما ما قوی ترین آنها را به عنوان ذرات بنیادی درک می کنیم. بله، و این پایان نامه بسیار بحث برانگیز است. از منظر دوگانه انگاری ذره-موج، همان شیء ریزجهان در موقعیت های مختلفیا مانند یک موج یا مانند یک ذره بنیادی رفتار می کند، فقط به این بستگی دارد که چگونه فیزیکدانی که فرآیند را مشاهده می کند مدل سازی موقعیت را راحت تر کند.

میدان هیگز

معلوم می شود که یک میدان به اصطلاح هیگز وجود دارد که مقدار متوسط ​​آن نمی خواهد به صفر نزدیک شود. در نتیجه، این فیلد سعی می کند مقداری ثابت غیر صفر در سراسر جهان به خود بگیرد. میدان یک پس زمینه همه جا حاضر و ثابت است که در نتیجه نوسانات قوی که بوزون هیگز ظاهر می شود.
و به لطف میدان هیگز است که ذرات دارای جرم هستند.
جرم یک ذره بنیادی به شدت برهمکنش آن با میدان هیگز بستگی دارد، مدام درون آن پرواز می کند.
و دقیقاً به دلیل بوزون هیگز، یا دقیق تر به دلیل میدان آن است که مدل استاندارد دارای گروه های مشابه بسیاری از ذرات است. میدان هیگز باعث ایجاد بسیاری از ذرات اضافی مانند نوترینو شد.

نتایج

آنچه من به اشتراک گذاشتم سطحی ترین مفاهیم در مورد ماهیت مدل استاندارد و چرایی نیاز ما به بوزون هیگز است. برخی از دانشمندان هنوز امیدوارند که ذره هیگز مانندی که در سال 2012 در LHC یافت شد، صرفاً یک خطای آماری بوده است. از این گذشته، میدان هیگز بسیاری از تقارن های زیبای طبیعت را می شکند و محاسبات فیزیکدانان را گیج کننده تر می کند.
برخی حتی بر این باورند که مدل استاندارد به پایان خود رسیده است. سال های اخیربه دلیل ناقص بودنش اما این امر به صورت تجربی ثابت نشده است و مدل استاندارد ذرات بنیادی نمونه کاری از نبوغ اندیشه بشری باقی مانده است.