Clasificación de partículas elementales. Partícula elemental

Se han descubierto más de 350 partículas elementales. De estos, el fotón, el electrón y el muón, el neutrino, el electrón, el protón y sus antipartículas son estables. Las partículas elementales restantes se desintegran espontáneamente según una ley exponencial con una constante de tiempo de aproximadamente 1000 segundos (para un neutrón libre) a una fracción insignificante de segundo (de 10-24 a 10-22 s para resonancias).

La estructura y el comportamiento de las partículas elementales se estudian mediante la física de partículas elementales.

Todas las partículas elementales están sujetas al principio de identidad (todas las partículas elementales del mismo tipo en el Universo son completamente idénticas en todas sus propiedades) y al principio de dualidad onda-partícula (cada partícula elemental corresponde a una onda de Broglie).

Todas las partículas elementales tienen la propiedad de interconvertibilidad, que es consecuencia de sus interacciones: fuerte, electromagnética, débil, gravitacional. Las interacciones de partículas provocan transformaciones de partículas y sus conjuntos en otras partículas y sus conjuntos, si dichas transformaciones no están prohibidas por las leyes de conservación de la energía, momento, momento angular, carga eléctrica, carga bariónica, etc.

Principales características de las partículas elementales: masa, espín, carga eléctrica, vida útil, paridad, paridad G, momento magnético, carga bariónica, carga leptónica, extrañeza, espín isotópico, paridad CP, paridad de carga.

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✪ Partículas elementales

✪ CERN: Modelo estándar de física de partículas

✪ Lección 473. Partículas elementales. Positrón. neutrino

✪ Ladrillos del universo: Partículas elementales que forman el mundo. Conferencia del profesor David Tong.

✪ El mundo de las partículas elementales (narrado por el académico Valery Rubakov)

Subtítulos

Clasificación

Por vida

• Las partículas elementales estables son partículas que tienen una vida infinitamente larga en estado libre (protones, electrones, neutrinos, fotones, gravitones y sus antipartículas).
• Las partículas elementales inestables son partículas que se desintegran en otras partículas en estado libre en un tiempo finito (todas las demás partículas).

Por peso

Todas las partículas elementales se dividen en dos clases:

• Las partículas sin masa son partículas con masa cero (fotón, gluón, gravitón y sus antipartículas).
• Partículas con masa distinta de cero (todas las demás partículas).

Por espalda más grande

Todas las partículas elementales se dividen en dos clases:

Por tipo de interacción

Las partículas elementales se dividen en los siguientes grupos:

Partículas compuestas

• Los hadrones son partículas que participan en todo tipo de interacciones fundamentales. Están formados por quarks y se dividen, a su vez, en:
  • los mesones son hadrones con espín entero, es decir, son bosones;
  • Los bariones son hadrones con espín semientero, es decir, fermiones. Estos, en particular, incluyen las partículas que forman el núcleo de un átomo: protones y neutrones.

Partículas fundamentales (sin estructura)

• Los leptones son fermiones que tienen forma de partículas puntuales (es decir, que no están compuestos de nada) hasta escalas del orden de 10 −18 m. No participan en interacciones fuertes. La participación en interacciones electromagnéticas se observó experimentalmente solo para leptones cargados (electrones, muones, leptones tau) y no se observó para neutrinos. Hay 6 tipos conocidos de leptones.
• Los quarks son partículas con carga fraccionada que forman parte de los hadrones. No fueron observados en estado libre (se ha propuesto un mecanismo de confinamiento para explicar la ausencia de tales observaciones). Al igual que los leptones, se dividen en 6 tipos y se consideran sin estructura, sin embargo, a diferencia de los leptones, participan en interacciones fuertes.
• Los bosones de calibre son partículas a través de las cuales se producen interacciones:
  • fotón: una partícula que lleva interacción electromagnética;
  • ocho gluones, partículas que llevan la interacción fuerte;
  • tres bosones vectoriales intermedios W. + , W.− y z 0, que toleran la interacción débil;
  • Gravitón es una partícula hipotética que transfiere interacción gravitacional. La existencia de gravitones, aunque aún no se ha demostrado experimentalmente debido a la debilidad de la interacción gravitacional, se considera bastante probable; sin embargo, el gravitón no está incluido en el Modelo Estándar de partículas elementales.

Tamaños de partículas elementales.

A pesar de la gran variedad de partículas elementales, sus tamaños se dividen en dos grupos. Los tamaños de los hadrones (tanto bariones como mesones) son de aproximadamente 10 −15 m, lo que se acerca a la distancia promedio entre los quarks incluidos en ellos. Los tamaños de las partículas fundamentales sin estructura (bosones de calibre, quarks y leptones) dentro del error experimental son consistentes con su naturaleza puntual (el límite superior del diámetro es de aproximadamente 10 −18 m) ( ver explicación). Si en experimentos posteriores no se descubren los tamaños finales de estas partículas, esto puede indicar que los tamaños de los bosones calibre, quarks y leptones están cerca de la longitud fundamental (que muy probablemente puede resultar ser la longitud de Planck, igual a 1,6). 10-35 m).

Sin embargo, cabe señalar que el tamaño de una partícula elemental es un concepto bastante complejo que no siempre coincide con los conceptos clásicos. En primer lugar, el principio de incertidumbre no permite localizar estrictamente una partícula física. Un paquete de ondas, que representa una partícula como una superposición de estados cuánticos exactamente localizados, siempre tiene dimensiones finitas y una determinada estructura espacial, y las dimensiones del paquete pueden ser bastante macroscópicas; por ejemplo, un electrón en un experimento con interferencia en dos rendijas. “siente” ambas rendijas del interferómetro, separadas por una distancia macroscópica. En segundo lugar, una partícula física cambia la estructura del vacío a su alrededor, creando una "capa" de partículas virtuales de corta duración: pares fermión-antifermión (ver Polarización del vacío) y bosones que llevan interacciones. Las dimensiones espaciales de esta región dependen de las cargas calibre que posee la partícula y de las masas de los bosones intermedios (el radio de la capa de los bosones virtuales masivos está cerca de su longitud de onda de Compton, que, a su vez, es inversamente proporcional a su masa). ). Por tanto, el radio de un electrón desde el punto de vista de los neutrinos (sólo es posible una interacción débil entre ellos) es aproximadamente igual a la longitud de onda de Compton de los bosones W, ~3 × 10 −18 m, y las dimensiones de la región de Las interacciones fuertes del hadrón están determinadas por la longitud de onda Compton del hadrón más ligero, el mesón pi (~10 −15 m), que actúa aquí como portador de interacción.

Historia

Inicialmente, el término “partícula elemental” significaba algo absolutamente elemental, el primer ladrillo de materia. Sin embargo, cuando se descubrieron cientos de hadrones con propiedades similares en las décadas de 1950 y 1960, quedó claro que los hadrones al menos tienen grados de libertad internos, es decir, no son elementales en el sentido estricto de la palabra. Esta sospecha se confirmó más tarde cuando resultó que los hadrones están formados por quarks.

Así, los físicos han profundizado un poco más en la estructura de la materia: los leptones y los quarks ahora se consideran las partes más elementales y puntuales de la materia. Para ellos (junto con los bosones de calibre) el término " fundamental  partículas".

En la teoría de cuerdas, que se ha desarrollado activamente desde aproximadamente mediados de los años 1980, se supone que las partículas elementales y sus interacciones son consecuencia de diversos tipos de vibraciones de “cuerdas” especialmente pequeñas.

Modelo estandar

El Modelo Estándar de partículas elementales incluye 12 tipos de fermiones, sus correspondientes antipartículas, así como bosones calibre (fotones, gluones, W.- Y  z-bosones), que transportan interacciones entre partículas, y el bosón de Higgs, descubierto en 2012, que es responsable de la presencia de masa inercial en las partículas. Sin embargo, el modelo estándar se considera en gran medida una teoría temporal más que una teoría verdaderamente fundamental, ya que no incluye la gravedad y contiene varias docenas de parámetros libres (masas de partículas, etc.), cuyos valores no se derivan directamente de la teoría. Quizás haya partículas elementales que no están descritas en el modelo estándar, como por ejemplo el gravitón (una partícula que transporta fuerzas gravitacionales) o compañeros supersimétricos de partículas ordinarias. En total, el modelo describe 61 partículas.

Fermiones

Los 12 sabores de fermiones se dividen en 3 familias (generaciones) de 4 partículas cada una. Seis de ellos son quarks. Los otros seis son leptones, tres de los cuales son neutrinos y los tres restantes llevan una unidad de carga negativa: el electrón, el muón y el leptón tau.

PARTÍCULAS ELEMENTALES- partículas primarias, más indescomponibles, de las que se cree que está compuesta toda la materia. En la física moderna, el término "partículas elementales" se utiliza habitualmente para designar un gran grupo de pequeñas partículas de materia que no son átomos (ver Átomo) ni núcleos atómicos (ver Núcleo atómico); La excepción es el núcleo del átomo de hidrógeno: el protón.

En los años 80 del siglo XX, la ciencia conocía más de 500 partículas elementales, la mayoría de las cuales eran inestables. Las partículas elementales incluyen protón (p), neutrón (n), electrón (e), fotón (γ), mesones pi (π), muones (μ), leptones pesados ​​(τ +, τ -), neutrinos de tres tipos: electrónico (V e), muónico (V μ) y asociado al llamado deptón pesado (V τ), así como partículas “extrañas” (mesones K e hiperones), resonancias diversas, mesones con encanto oculto, “encantados ”, partículas upsilon (Υ), partículas “hermosas”, bosones vectoriales intermedios, etc. Ha surgido una rama independiente de la física: la física de las partículas elementales.

La historia de la física de partículas se remonta a 1897, cuando J. J. Thomson descubrió el electrón (ver Radiación de electrones); en 1911, R. Millikan midió la magnitud de su carga eléctrica. El concepto de "fotón", el cuanto de luz, fue introducido por M. Planck en 1900. Millikan (1912-1915) y Compton (A. N. Compton, 1922) obtuvieron evidencia experimental directa de la existencia del fotón. En el proceso de estudio del núcleo atómico, E. Rutherford descubrió el protón (ver Radiación de protones) y en 1932, J. Chadwick descubrió el neutrón (ver Radiación de neutrones). En 1953 se demostró experimentalmente la existencia de neutrinos, que W. Pauli había predicho en 1930.

Las partículas elementales se dividen en tres grupos. El primero está representado por una sola partícula elemental: un fotón, un cuanto γ o un cuanto de radiación electromagnética. El segundo grupo son los leptones (del griego leptos pequeño, ligero), que participan, además de los electromagnéticos, también en interacciones débiles. Hay 6 leptones conocidos: electrones y neutrinos electrónicos, muones y neutrinos muónicos, leptones τ pesados ​​y el neutrino correspondiente. El tercer grupo principal de partículas elementales son los hadrones (del griego hadros grandes, fuertes), que participan en todo tipo de interacciones, incluidas las fuertes (ver más abajo). Los hadrones incluyen partículas de dos tipos: bariones (del griego barys pesado): partículas con espín semientero y una masa no menor que la masa de un protón, y mesones (medio mesos del griego): partículas con espín cero o entero (ver Paramagnética de electrones). resonancia). Los bariones incluyen el protón y el neutrón, los hiperones, algunas resonancias y partículas "encantadas" y algunas otras partículas elementales. El único barión estable es el protón, el resto de bariones son inestables (un neutrón en estado libre es una partícula inestable, pero en estado unido dentro de núcleos atómicos estables es estable. Los mesones recibieron su nombre porque las masas del primero Los mesones descubiertos, el mesón pi y el mesón K, tenían valores intermedios entre las masas de un protón y un electrón. Posteriormente, se descubrieron mesones cuya masa excede la masa de un protón. Los hadrones también se caracterizan por su extrañeza (S. ) - número cuántico cero, positivo o negativo. Los hadrones con extrañeza cero se denominan ordinarios y con S ≠ 0 - extraños. En 1964, G. Zweig y M. Gell-Mann sugirieron de forma independiente la estructura de los quarks de los hadrones. Varios experimentos indican que los quarks son formaciones materiales reales, en cuyo interior tienen una serie de propiedades inusuales, por ejemplo, carga eléctrica fraccionada, etc. Los quarks no se han observado en estado libre. Se cree que todos los hadrones se forman gracias a diversas combinaciones de quarks.

Inicialmente, las partículas elementales se estudiaron en el estudio de la desintegración radiactiva (ver Radioactividad) y la radiación cósmica (ver). Sin embargo, desde los años 50 del siglo XX, se han realizado estudios de partículas elementales en aceleradores de partículas cargadas (ver), en los que partículas aceleradas bombardean un objetivo o chocan con partículas que vuelan hacia ellos. En este caso, las partículas interactúan entre sí, dando como resultado su interconversión. Así se descubrieron la mayoría de las partículas elementales.

Cada partícula elemental, junto con las características específicas de sus interacciones inherentes, se describe mediante un conjunto de valores discretos de determinadas cantidades físicas, expresadas en números enteros o fraccionarios (números cuánticos). Las características comunes de todas las partículas elementales son masa (m), vida útil (t), espín (J): el momento angular intrínseco de las partículas elementales, que tiene una naturaleza cuántica y no está asociado con el movimiento de la partícula en su conjunto. carga eléctrica (Ω) y momento magnético (μ). Las cargas eléctricas de las partículas elementales estudiadas en valor absoluto son múltiplos enteros de la carga del electrón (e≈1,6*10 -10 k). Las partículas elementales conocidas tienen cargas eléctricas iguales a 0, ±1 y ±2.

Todas las partículas elementales tienen antipartículas correspondientes, cuya masa y espín son iguales a la masa y espín de la partícula, y la carga eléctrica, el momento magnético y otras características son iguales en valor absoluto y de signo opuesto. Por ejemplo, la antipartícula de un electrón es un positrón, un electrón con una carga eléctrica positiva. Una partícula elemental idéntica a su antipartícula se llama verdaderamente neutra, por ejemplo, un neutrón y un antineutrón, un neutrino y un antineutrino, etc. Cuando las antipartículas interactúan entre sí, se produce su aniquilación (ver).

Cuando una partícula elemental entra en un entorno material, interactúa con él. Existen interacciones fuertes, electromagnéticas, débiles y gravitacionales. Se produce una interacción fuerte (más fuerte que la interacción electromagnética) entre partículas elementales ubicadas a una distancia de menos de 10 a 15 m (1 Fermi). A distancias superiores a 1,5 Fermi, la fuerza de interacción entre partículas es cercana a cero. Son las fuertes interacciones entre partículas elementales las que proporcionan la fuerza excepcional de los núcleos atómicos, que es la base de la estabilidad de la materia en condiciones terrestres. Un rasgo característico de la interacción fuerte es su independencia de la carga eléctrica. Los hadrones son capaces de realizar fuertes interacciones. Las interacciones fuertes provocan la desintegración de partículas de vida corta (vida útil del orden de 10 -23 - 10 -24 segundos), que se denominan resonancias.

Todas las partículas elementales cargadas, fotones y partículas neutras con un momento magnético (por ejemplo, neutrones) están sujetas a interacción electromagnética. La base de las interacciones electromagnéticas es la conexión con el campo electromagnético. Las fuerzas de interacción electromagnética son aproximadamente 100 veces más débiles que las fuerzas de interacción fuerte. El ámbito principal de la interacción electromagnética son los átomos y las moléculas (ver Molécula). Esta interacción determina la estructura de los sólidos y la naturaleza de la sustancia química. procesos. No está limitado por la distancia entre partículas elementales, por lo que el tamaño de un átomo es aproximadamente 10 4 veces el tamaño del núcleo atómico.

Las interacciones débiles subyacen a procesos extremadamente lentos que involucran partículas elementales. Por ejemplo, los neutrinos, que tienen una interacción débil, pueden penetrar fácilmente el espesor de la Tierra y el Sol. Las interacciones débiles también provocan desintegraciones lentas de las llamadas partículas elementales cuasi estables, cuya vida útil oscila entre 10 8 - 10 -10 segundos. Las partículas elementales que nacen durante una interacción fuerte (en un tiempo de 10 -23 -10 -24 s), pero que se desintegran lentamente (10 -10 s), se denominan extrañas.

Las interacciones gravitacionales entre partículas elementales producen efectos extremadamente pequeños debido a la insignificancia de las masas de las partículas. Este tipo de interacción ha sido bien estudiado en macroobjetos con grandes masas.

La diversidad de partículas elementales con diferentes características físicas explica la dificultad de su sistematización. De todas las partículas elementales, sólo los fotones, electrones, neutrinos, protones y sus antipartículas son realmente estables, ya que tienen una larga vida útil. Estas partículas son el producto final de la transformación espontánea de otras partículas elementales. El nacimiento de partículas elementales puede ocurrir como resultado de los tres primeros tipos de interacciones. Para las partículas que interactúan fuertemente, la fuente de creación son las reacciones de interacción fuerte. Lo más probable es que los leptones surjan de la desintegración de otras partículas elementales o nazcan en pares (partícula + antipartícula) bajo la influencia de fotones.

Los flujos de partículas elementales forman radiación ionizante (ver), provocando la ionización de moléculas neutras del medio. El efecto biológico de las partículas elementales está asociado a la formación de sustancias con alta actividad química en tejidos y fluidos corporales irradiados. Estas sustancias incluyen radicales libres (ver Radicales libres), peróxidos (ver) y otros. Las partículas elementales también pueden tener un efecto directo sobre biomoléculas y estructuras supramoleculares, provocar la ruptura de enlaces intramoleculares, la despolimerización de compuestos de alto peso molecular, etc. Los procesos de migración de energía y la formación de compuestos metaestables como resultado de la conservación a largo plazo del estado de excitación en algunos sustratos macromoleculares. En las células, la actividad de los sistemas enzimáticos se suprime o distorsiona, la estructura de las membranas celulares y los receptores celulares de la superficie cambia, lo que conduce a un aumento de la permeabilidad de la membrana y un cambio en los procesos de difusión, acompañado de fenómenos de desnaturalización de proteínas, deshidratación de tejidos. y alteración del ambiente interno de la célula. La susceptibilidad de las células depende en gran medida de la intensidad de su división mitótica (ver Mitosis) y del metabolismo: con un aumento de esta intensidad, aumenta la radiosusceptibilidad de los tejidos (ver Radiosensibilidad). Su uso para radioterapia (ver), especialmente en el tratamiento de neoplasias malignas, se basa en esta propiedad de los flujos de partículas elementales: la radiación ionizante. La capacidad de penetración de las partículas elementales cargadas depende en gran medida de la transferencia lineal de energía (ver), es decir, de la energía promedio absorbida por el medio en el punto de paso de la partícula cargada, por unidad de su trayectoria.

El efecto dañino del flujo de partículas elementales afecta especialmente a las células madre del tejido hematopoyético, el epitelio de los testículos, el intestino delgado y la piel (ver Enfermedad por radiación, Daño por radiación). En primer lugar, se ven afectados los sistemas que se encuentran en un estado de organogénesis activa y diferenciación durante la irradiación (ver Órgano crítico).

El efecto biológico y terapéutico de las partículas elementales depende de su tipo y dosis de radiación (ver Dosis de radiación ionizante). Por ejemplo, cuando se expone a radiación de rayos X (ver Terapia de rayos X), radiación gamma (ver Terapia gamma) y radiación de protones (ver Terapia de protones) en todo el cuerpo humano a una dosis de aproximadamente 100 rad, se produce un cambio temporal en se observa hematopoyesis; La influencia externa de la radiación de neutrones (ver Radiación de neutrones) conduce a la formación en el cuerpo de diversas sustancias radiactivas, por ejemplo, radionucleidos de sodio, fósforo, etc. Cuando entran radionucleidos que son fuentes de partículas beta (electrones o positrones) o cuantos gamma el cuerpo, esto sucede llamado irradiación interna del cuerpo (ver Incorporación de sustancias radiactivas). Especialmente peligrosos a este respecto son, por ejemplo, los radionucleidos que se reabsorben rápidamente y se distribuyen uniformemente en el cuerpo. tritio (3H) y polonio-210.

En el diagnóstico de radioisótopos se utilizan radionucleidos, que son fuentes de partículas elementales y participan en el metabolismo (ver).

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R. V. Stavntsky.

La palabra átomo significa "indivisible". Fue introducido por los filósofos griegos para designar las partículas más pequeñas que, según ellos, constituían la materia.

Los físicos y químicos del siglo XIX adoptaron el término para referirse a las partículas más pequeñas que conocían. Aunque durante mucho tiempo hemos podido "dividir" átomos y lo indivisible ha dejado de ser indivisible, este término se ha conservado. Según nuestro conocimiento actual, el átomo está formado por partículas diminutas, a las que llamamos partículas elementales. También existen otras partículas elementales que en realidad no forman parte de los átomos. Suelen producirse mediante ciclotrones de alta potencia, sincrotrones y otros aceleradores de partículas especialmente diseñados para estudiar estas partículas. También ocurren cuando los rayos cósmicos atraviesan la atmósfera. Estas partículas elementales se desintegran en unas pocas millonésimas de segundo y, a menudo, en un período de tiempo aún más corto después de su aparición. Como resultado de su desintegración, se transforman en otras partículas elementales o liberan energía en forma de radiación.

El estudio de las partículas elementales se centra en un número cada vez mayor de partículas elementales de vida corta. Aunque este problema es de gran importancia, en particular porque está relacionado con las leyes más fundamentales de la física, el estudio de las partículas se lleva a cabo actualmente casi aislado de otras ramas de la física. Por ello, nos limitaremos a considerar únicamente aquellas partículas que son componentes permanentes de los materiales más comunes, así como algunas partículas que se encuentran muy cercanas a ellos. La primera de las partículas elementales descubiertas a finales del siglo XIX fue el electrón, que luego se convirtió en un sirviente extremadamente útil. En los tubos de radio, el flujo de electrones se mueve en el vacío; y es ajustando este flujo que las señales de radio entrantes se amplifican y se convierten en sonido o ruido. En un televisor, el haz de electrones sirve como un bolígrafo que copia instantáneamente y con precisión en la pantalla del receptor lo que ve la cámara del transmisor. En ambos casos, los electrones se mueven en el vacío para que, si es posible, nada interfiera con su movimiento. Otra propiedad útil es su capacidad, al atravesar un gas, de hacerlo brillar. Así, al permitir que los electrones pasen a través de un tubo de vidrio lleno de gas bajo una determinada presión, utilizamos este fenómeno para producir luz de neón, utilizada por la noche para iluminar grandes ciudades. Y aquí hay otro encuentro con los electrones: un relámpago destelló y miríadas de electrones, atravesando la densidad del aire, crean el sonido de un trueno.

Sin embargo, en condiciones terrestres hay una cantidad relativamente pequeña de electrones que pueden moverse libremente, como vimos en ejemplos anteriores. La mayoría de ellos están firmemente unidos en átomos. Dado que el núcleo de un átomo está cargado positivamente, atrae electrones cargados negativamente, obligándolos a permanecer en órbitas relativamente cercanas al núcleo. Un átomo suele estar formado por un núcleo y varios electrones. Si un electrón abandona un átomo, normalmente es inmediatamente reemplazado por otro electrón, que el núcleo atómico atrae con gran fuerza de su entorno inmediato.

¿Cómo es este maravilloso electrón? Nadie lo ha visto ni lo verá nunca; y, sin embargo, conocemos tan bien sus propiedades que podemos predecir con gran detalle cómo se comportará en las situaciones más variadas. Conocemos su masa (su "peso") y su carga eléctrica. Sabemos que la mayoría de las veces se comporta como si la persona que tenemos delante fuera muy pequeña. partícula, en otros casos presenta propiedades ondas. Hace varias décadas, el físico inglés Dirac propuso de forma completa una teoría del electrón extremadamente abstracta, pero al mismo tiempo muy precisa. Esta teoría nos permite determinar en qué circunstancias un electrón se parecerá más a una partícula y en qué circunstancias predominará su carácter ondulatorio. Esta naturaleza dual (partícula y onda) dificulta dar una imagen clara del electrón; por lo tanto, una teoría que tenga en cuenta ambos conceptos y, sin embargo, proporcione una descripción completa del electrón debe ser muy abstracta. Pero sería imprudente limitar la descripción de un fenómeno tan maravilloso como el electrón a imágenes terrestres como los guisantes y las ondas.

Una de las premisas de la teoría del electrón de Dirac era que debe haber una partícula elemental que tenga las mismas propiedades que el electrón, excepto que esté cargada positivamente y no negativamente. De hecho, tal gemelo electrónico fue descubierto y nombrado positrón. Forma parte de los rayos cósmicos y también surge como resultado de la desintegración de determinadas sustancias radiactivas. En condiciones terrestres, la vida de un positrón es corta. Tan pronto como se encuentra cerca de un electrón, y esto sucede en todas las sustancias, el electrón y el positrón se “destruyen” mutuamente; La carga eléctrica positiva del positrón neutraliza la carga negativa del electrón. Dado que, según la relatividad, la masa es una forma de energía, y dado que la energía es "indestructible", la energía representada por las masas combinadas del electrón y el positrón debe conservarse de alguna manera. Esta tarea la realiza un fotón (cuanto de luz), o normalmente dos fotones que se emiten como resultado de esta fatídica colisión; su energía es igual a la energía total del electrón y el positrón.

También sabemos que también ocurre el proceso inverso: un fotón puede, bajo ciertas condiciones, por ejemplo, volando cerca del núcleo de un átomo, crear un electrón y un positrón “de la nada”. Para tal creación debe tener una energía al menos igual a la energía correspondiente a la masa total del electrón y del positrón.

Por tanto, las partículas elementales no son eternas ni constantes. Tanto los electrones como los positrones pueden aparecer y desaparecer; sin embargo, la energía y las cargas eléctricas resultantes se conservan.

A excepción del electrón, la partícula elemental que conocemos mucho antes que cualquier otra partícula no es el positrón, que es relativamente raro, sino protón- el núcleo de un átomo de hidrógeno. Como un positrón, tiene carga positiva, pero su masa es aproximadamente dos mil veces mayor que la masa de un positrón o un electrón. Al igual que estas partículas, el protón a veces presenta propiedades ondulatorias, pero sólo en condiciones extremadamente especiales. El hecho de que su naturaleza ondulatoria sea menos pronunciada es en realidad una consecuencia directa de su posesión de una masa mucho mayor. La naturaleza ondulatoria, característica de toda la materia, no adquiere importancia para nosotros hasta que empezamos a trabajar exclusivamente con partículas ligeras, como los electrones.

Un protón es una partícula muy común. Un átomo de hidrógeno está formado por un protón, que es su núcleo, y un electrón, que orbita a su alrededor. El protón también forma parte de todos los demás núcleos atómicos.

Los físicos teóricos predijeron que el protón, como el electrón, tiene una antipartícula. Apertura protón negativo o antiprotón, que tiene las mismas propiedades que el protón pero está cargado negativamente, confirmó esta predicción. La colisión de un antiprotón con un protón los "destruye" a ambos de la misma manera que en el caso de la colisión de un electrón y un positrón.

Otra partícula elemental neutrón, tiene casi la misma masa que un protón, pero es eléctricamente neutro (sin carga eléctrica). Su descubrimiento en los años treinta de nuestro siglo, aproximadamente simultáneamente con el descubrimiento del positrón, fue extremadamente importante para la física nuclear. El neutrón forma parte de todos los núcleos atómicos (a excepción, claro está, del núcleo ordinario del átomo de hidrógeno, que es simplemente un protón libre); Cuando un núcleo atómico colapsa, libera uno (o más) neutrones. Una bomba atómica explota debido a los neutrones liberados de los núcleos de uranio o plutonio.

Dado que los protones y los neutrones juntos forman núcleos atómicos, ambos se llaman nucleones. Después de un tiempo, el neutrón libre se convierte en un protón y un electrón.

Estamos familiarizados con otra partícula llamada antineutrón, que, como el neutrón, es eléctricamente neutro. Tiene muchas de las propiedades de un neutrón, pero una de las diferencias fundamentales es que el antineutrón se desintegra en un antiprotón y un electrón. Al chocar, un neutrón y un antineutrón se destruyen entre sí,

Fotón, o cuanto de luz, es una partícula elemental extremadamente interesante. Queriendo leer un libro, encendemos la bombilla. Así, una bombilla encendida genera una gran cantidad de fotones que se precipitan hacia el libro, así como hacia todos los demás rincones de la habitación, a la velocidad de la luz. Algunos de ellos, al golpear las paredes, mueren inmediatamente, otros golpean y rebotan en las paredes de otros objetos una y otra vez, pero después de menos de una millonésima de segundo desde el momento de su aparición, todos mueren, con la excepción de solo unos pocos que logran escapar por la ventana y escabullirse en el espacio. La energía necesaria para generar fotones es suministrada por los electrones que fluyen a través de la bombilla cuando se enciende; Al morir, los fotones emiten esta energía a un libro u otro objeto, calentándolo, o al ojo, provocando la estimulación de los nervios ópticos.

La energía de un fotón, y por tanto su masa, no permanece invariable: hay fotones muy ligeros junto a otros muy pesados. Los fotones que producen luz ordinaria son muy ligeros, su masa es sólo unas pocas millonésimas de la masa de un electrón. Otros fotones tienen una masa aproximadamente igual a la de un electrón, e incluso mucho mayor. Ejemplos de fotones pesados ​​son los rayos X y los rayos gamma.

He aquí una regla general: cuanto más ligera es una partícula elemental, más expresiva es su naturaleza ondulatoria. Las partículas elementales más pesadas, los protones, exhiben características de onda relativamente débiles; son algo más fuertes para los electrones; los más fuertes son los fotones. De hecho, la naturaleza ondulatoria de la luz se descubrió mucho antes que sus características corpusculares. Sabemos que la luz no es más que el movimiento de ondas electromagnéticas desde que Maxwell lo demostró a lo largo de la segunda mitad del siglo pasado, pero fueron Planck y Einstein, en los albores del siglo XX, quienes descubrieron que la luz también tiene características corpusculares. , que a veces se emite en forma de “cuantos” individuales, es decir, en forma de una corriente de fotones. No se puede negar que resulta difícil unir y fusionar en nuestra mente estos dos conceptos aparentemente disímiles de la naturaleza de la luz; pero podemos decir que, al igual que la "naturaleza dual" del electrón, nuestro concepto de un fenómeno tan esquivo como la luz debe ser muy abstracto. Y sólo cuando queremos expresar nuestra idea en imágenes aproximadas, a veces debemos comparar la luz con un flujo de partículas, fotones o un movimiento ondulatorio de naturaleza electromagnética.

Existe una relación entre la naturaleza corpuscular de un fenómeno y sus propiedades “ondulatorias”. Cuanto más pesada es la partícula, más corta es su longitud de onda correspondiente; cuanto más larga es la longitud de onda, más ligera es la partícula correspondiente. Los rayos X, compuestos por fotones muy pesados, tienen una longitud de onda muy corta. La luz roja, que tiene una longitud de onda más larga que la luz azul, está formada por fotones que son más ligeros que los fotones que transportan la luz azul. Las ondas electromagnéticas más largas que existen, las ondas de radio, están formadas por fotones diminutos. Estas ondas no presentan en absoluto las propiedades de las partículas; su naturaleza ondulatoria es la característica predominante.

Y finalmente, la más pequeña de todas las partículas elementales pequeñas es neutrino. No tiene carga eléctrica y, si tiene masa, es cercana a cero. Con cierta exageración, podemos decir que el neutrino simplemente carece de propiedades.

Nuestro conocimiento de las partículas elementales es la frontera moderna de la física. El átomo fue descubierto en el siglo XIX y los científicos de esa época descubrieron un número cada vez mayor de diferentes tipos de átomos; De manera similar, hoy encontramos cada vez más partículas elementales. Y aunque se ha demostrado que los átomos están formados por partículas elementales, no podemos esperar que, por analogía, se descubra que las partículas elementales están formadas por partículas aún más pequeñas. El problema al que nos enfrentamos hoy es muy diferente y no hay el menor indicio de que seamos capaces de dividir partículas elementales. Más bien, la esperanza es que se demuestre que todas las partículas elementales son manifestaciones de un fenómeno aún más fundamental. Y si fuera posible establecer esto, seríamos capaces de comprender todas las propiedades de las partículas elementales; Podría calcular sus masas y los métodos de su interacción. Se han hecho muchos intentos para abordar la solución de este problema, que es uno de los más importantes de la física.

No existe una definición clara del concepto “partícula elemental”; Por lo general, sólo se indica un cierto conjunto de valores de cantidades físicas que caracterizan estas partículas y algunas de sus propiedades distintivas muy importantes. Las partículas elementales tienen:

1) carga eléctrica

2) momento angular intrínseco o espín

3) momento magnético

4) masa propia - "masa en reposo"

En el futuro, es posible que se descubran otras cantidades que caractericen las partículas, por lo que esta lista de las principales propiedades de las partículas elementales no debe considerarse completa.

Sin embargo, no todas las partículas elementales (a continuación se proporciona una lista de ellas) tienen el conjunto completo de las propiedades anteriores. Algunas de ellas sólo tienen carga eléctrica y masa, pero no tienen espín (piones y kaones cargados); otras partículas tienen masa, espín y momento magnético, pero no tienen carga eléctrica (neutrón, hiperón lambda); y otros más sólo tienen masa (piones y kaones neutros) o sólo espín (fotones, neutrinos). Es obligatorio que las partículas elementales tengan al menos una de las propiedades enumeradas anteriormente. Tenga en cuenta que las partículas de materia más importantes (carreras y electrones) se caracterizan por un conjunto completo de estas propiedades. Cabe destacar: la carga eléctrica y el espín son propiedades fundamentales de las partículas de materia, es decir, sus valores numéricos permanecen constantes en todas las condiciones.

PARTÍCULAS Y ANTIPARTÍCULAS

Cada partícula elemental tiene su opuesto: una "antipartícula". La masa, el espín y el momento magnético de una partícula y una antipartícula son los mismos, pero si la partícula tiene carga eléctrica, entonces su antipartícula tiene una carga de signo opuesto. El protón, el positrón y el antineutrón tienen los mismos momentos magnéticos y espines, mientras que el electrón, el neutrón y el antiprotón tienen orientaciones opuestas.

La interacción de una partícula con su antipartícula es significativamente diferente de la interacción con otras partículas. Esta diferencia se expresa en el hecho de que una partícula y su antipartícula son capaces de aniquilarse, es decir, un proceso por el cual desaparecen y en su lugar aparecen otras partículas. Así, por ejemplo, como resultado de la aniquilación de un electrón y un positrón, aparecen fotones, protones y antiprotones-piones, etc.

TODA LA VIDA

La estabilidad no es una característica obligatoria de las partículas elementales. Sólo el electrón, el protón, el neutrino y sus antipartículas, así como los fotones, son estables. El resto de partículas se transforman en estables ya sea directamente, como ocurre, por ejemplo, con un neutrón, o mediante una cadena de transformaciones sucesivas; por ejemplo, un pión negativo inestable primero se convierte en un muón y un neutrino, y luego el muón se convierte en un electrón y otro neutrino:

Los símbolos indican neutrinos y antineutrinos “muónicos”, que son diferentes de los neutrinos y antineutrinos “electrónicos”.

La inestabilidad de las partículas se evalúa por el tiempo que existen desde el momento del “nacimiento” hasta el momento de la desintegración; Ambos momentos en el tiempo están marcados por huellas de partículas en las instalaciones de medición. Si hay una gran cantidad de observaciones de partículas de un "tipo" determinado, se calcula la "vida útil promedio" o la vida media de descomposición. Supongamos que en algún momento el número de partículas en descomposición es igual. y en ese momento este número se vuelve igual, suponiendo que la desintegración de las partículas obedece a una ley probabilística.

se puede calcular la vida media (durante la cual el número de partículas disminuye en un factor) y la vida media

(durante el cual este número se reduce a la mitad).

Es interesante notar que:

1) todas las partículas no cargadas, excepto los neutrinos y los fotones, son inestables (los neutrinos y los fotones se destacan entre otras partículas elementales porque no tienen su propia masa en reposo);

2) de las partículas cargadas, sólo el electrón y el protón (y sus antipartículas) son estables.

Aquí hay una lista de las partículas más importantes (su número continúa aumentando en la actualidad) indicando las designaciones y principales

propiedades; la carga eléctrica generalmente se indica en unidades elementales de masa, en unidades de masa de electrones, espín, en unidades

(ver escaneo)

CLASIFICACIÓN DE PARTÍCULAS

El estudio de las partículas elementales ha demostrado que agruparlas según los valores de sus propiedades básicas (carga, masa, espín) es insuficiente. Resultó necesario dividir estas partículas en “familias” significativamente diferentes:

1) fotones, 2) leptones, 3) mesones, 4) bariones

e introducir nuevas características de las partículas que mostrarían que una determinada partícula pertenece a una de estas familias. Estas características se denominan convencionalmente "cargas" o "números". Hay tres tipos de cargos:

1) carga de leptón-electrón;

2) carga leptón-muón

3) carga bariónica

A estas cargas se les asignan valores numéricos: y -1 (las partículas tienen un signo más, las antipartículas tienen un signo menos; los fotones y mesones tienen carga cero).

Las partículas elementales obedecen las dos reglas siguientes:

Cada partícula elemental pertenece a una sola familia y se caracteriza por una sola de las cargas (números) anteriores.

Por ejemplo:

Sin embargo, una familia de partículas elementales puede contener varias partículas diferentes; por ejemplo, el grupo de los bariones incluye el protón, el neutrón y una gran cantidad de hiperones. Presentemos la división de partículas elementales en familias:

Leptones “electrónicos”: Estos incluyen electrones, positrones, electrones, neutrinos y electrones, antineutrinos.

Leptones “muónicos”: Incluyen los muones con carga eléctrica negativa y positiva y los neutrinos y antineutrinos muónicos. Estos incluyen el protón, el neutrón, los hiperones y todas sus antipartículas.

La existencia o ausencia de carga eléctrica no está asociada con la pertenencia a ninguna de las familias enumeradas. Se observa que todas las partículas cuyo espín es igual a 1/2 tienen necesariamente una de las cargas indicadas anteriormente. Los fotones (cuyo espín es igual a la unidad), los mesones, los piones y los kaones (cuyo espín es igual a cero) no tienen cargas leptónicas ni bariónicas.

En todos los fenómenos físicos en los que participan partículas elementales: en procesos de descomposición; nacimiento, aniquilación y transformaciones mutuas, se observa la segunda regla:

Las sumas algebraicas de números para cada tipo de carga por separado siempre se mantienen constantes.

Esta regla es equivalente a las tres leyes de conservación:

Estas leyes también significan que están prohibidas las transformaciones mutuas entre partículas pertenecientes a diferentes familias.

Para algunas partículas (kaones e hiperones), resultó necesario introducir adicionalmente otra característica, llamada extrañeza y denotada por Los kaones tienen hiperones lambda y sigma (xi-hiperons) (signo superior para partículas, signo inferior para antipartículas). En los procesos en los que se observa la aparición (nacimiento) de partículas con extrañeza se observa la siguiente regla:

Ley de conservación de la extrañeza. Esto significa que la aparición de una partícula extraña debe necesariamente ir acompañada de la aparición de una o más antipartículas extrañas, de modo que la suma algebraica de los números anteriores y posteriores

el proceso de nacimiento permaneció constante. También se observa que durante la desintegración de partículas extrañas no se observa la ley de conservación de la extrañeza, es decir, esta ley actúa sólo en los procesos de nacimiento de partículas extrañas. Por tanto, para las partículas extrañas los procesos de creación y descomposición son irreversibles. Por ejemplo, un hiperón lambda (la extrañeza equivale a desintegración en un protón y un pión negativo):

En esta reacción no se observa la ley de conservación de la extrañeza, ya que el protón y el pión obtenidos tras la reacción tienen una extrañeza igual a cero. Sin embargo, en la reacción inversa, cuando un pión negativo choca con un protón, no aparece un único hiperón lambda; la reacción procede con la formación de dos partículas que tienen rarezas de signos opuestos:

En consecuencia, en la reacción de creación de un hiperón lambda, se observa la ley de conservación de la extrañeza: antes y después de la reacción, la suma algebraica de números "extraños" es igual a cero. Solo se conoce una reacción de desintegración en la que se observa la constancia de la suma de números extraños: esta es la desintegración de un hiperón sigma neutro en un hiperón lambda y un fotón:

Otra característica de las partículas extrañas es la marcada diferencia entre la duración de los procesos de nacimiento (del orden de ) y el tiempo medio de su existencia (aproximadamente ); para otras partículas (no extrañas) estos tiempos son del mismo orden.

Tenga en cuenta que la necesidad de introducir números o cargas leptónicas y bariónicas y la existencia de las leyes de conservación anteriores nos obligan a suponer que estas cargas expresan una diferencia cualitativa entre partículas de diferentes tipos, así como entre partículas y antipartículas. El hecho de que a las partículas y antipartículas se les deban asignar cargas de signos opuestos indica la imposibilidad de transformaciones mutuas entre ellas.

Una mayor penetración en las profundidades del micromundo está asociada con la transición del nivel de los átomos al nivel de las partículas elementales. Como primera partícula elemental a finales del siglo XIX. Se descubrió el electrón, y luego en las primeras décadas del siglo XX. – fotón, protón, positrón y neutrón.

Después de la Segunda Guerra Mundial, gracias al uso de modernas tecnologías experimentales y, sobre todo, de potentes aceleradores, en los que se crean condiciones de altas energías y enormes velocidades, se estableció la existencia de un gran número de partículas elementales, más de 300. Entre ellas los hay tanto descubiertos experimentalmente como calculados teóricamente, incluidas resonancias, quarks y partículas virtuales.

Término partícula elemental Originalmente se refería a las partículas más simples y no descomponibles que subyacen a cualquier formación material. Más tarde, los físicos se dieron cuenta de toda la convención del término "elemental" en relación con los microobjetos. Ahora no hay duda de que las partículas tienen una estructura particular, pero, sin embargo, el nombre históricamente establecido sigue existiendo.

Las principales características de las partículas elementales son la masa, la carga, la vida media, el espín y los números cuánticos.

masa en reposo Las partículas elementales se determinan en relación con la masa en reposo del electrón. Hay partículas elementales que no tienen masa en reposo. fotones. Las partículas restantes según este criterio se dividen en leptones– partículas ligeras (electrones y neutrinos); mesones– partículas de tamaño mediano con masas comprendidas entre uno y mil electrones; bariones– partículas pesadas cuya masa supera las mil masas de electrones y que incluyen protones, neutrones, hiperones y muchas resonancias.

Carga eléctrica es otra característica importante de las partículas elementales. Todas las partículas conocidas tienen carga positiva, negativa o nula. Cada partícula, excepto el fotón y dos mesones, corresponde a antipartículas con cargas opuestas. Alrededor de 1963-1964 se planteó una hipótesis sobre la existencia quarks– partículas con carga eléctrica fraccionada. Esta hipótesis aún no ha sido confirmada experimentalmente.

Por vida las partículas se dividen en estable Y inestable . Hay cinco partículas estables: el fotón, dos tipos de neutrinos, el electrón y el protón. Son las partículas estables las que desempeñan el papel más importante en la estructura de los macrocuerpos. Todas las demás partículas son inestables, existen durante aproximadamente 10 -10 -10 -24 s, después de lo cual se desintegran. Las partículas elementales con una vida media de 10–23–10–22 s se denominan resonancias. Debido a su corta vida, se desintegran incluso antes de abandonar el átomo o el núcleo atómico. Los estados resonantes se calcularon teóricamente; no pudieron detectarse en experimentos reales.

Además de la carga, la masa y la vida útil, las partículas elementales también se describen mediante conceptos que no tienen análogos en la física clásica: el concepto atrás . El espín es el momento angular intrínseco de una partícula que no está asociado con su movimiento. El giro se caracteriza por número cuántico de espín s, que puede tomar valores enteros (±1) o semienteros (±1/2). Partículas con espín entero – bosones, con un medio entero – fermiones. Los electrones se clasifican como fermiones. Según el principio de Pauli, un átomo no puede tener más de un electrón con el mismo conjunto de números cuánticos. norte,metro,yo,s. Los electrones, que corresponden a funciones de onda con el mismo número n, tienen energías muy cercanas y forman una capa de electrones en el átomo. Las diferencias en el número l determinan la “subcapa”, los números cuánticos restantes determinan su llenado, como se mencionó anteriormente.

En las características de las partículas elementales hay otra idea importante. interacciones. Como se señaló anteriormente, se conocen cuatro tipos de interacciones entre partículas elementales: gravitacional,débil,electromagnético Y fuerte(nuclear).

Todas las partículas que tienen masa en reposo ( metro 0), participan en la interacción gravitacional; los cargados también participan en la interacción electromagnética. Los leptones también participan en interacciones débiles. Los hadrones participan en las cuatro interacciones fundamentales.

Según la teoría cuántica de campos, todas las interacciones se llevan a cabo debido al intercambio. partículas virtuales , es decir, partículas cuya existencia sólo puede juzgarse indirectamente, por algunas de sus manifestaciones a través de algunos efectos secundarios ( partículas reales se puede grabar directamente utilizando instrumentos).

Resulta que los cuatro tipos conocidos de interacciones (gravitatorias, electromagnéticas, fuertes y débiles) tienen una naturaleza calibre y se describen mediante simetrías calibre. Es decir, todas las interacciones se hacen, por así decirlo, “desde el mismo espacio en blanco”. Esto nos da la esperanza de que será posible encontrar "la única llave de todas las cerraduras conocidas" y describir la evolución del Universo desde un estado representado por un único supercampo supersimétrico, desde un estado en el que las diferencias entre los tipos de interacciones, entre todo tipo de partículas de materia y cuantos de campo aún no han aparecido.

Hay una gran cantidad de formas de clasificar partículas elementales. Por ejemplo, las partículas se dividen en fermiones (partículas de Fermi), partículas de materia y bosones (partículas de Bose), cuantos de campo.

Según otro enfoque, las partículas se dividen en 4 clases: fotones, leptones, mesones y bariones.

fotones (cuantos de campo electromagnético) participan en interacciones electromagnéticas, pero no tienen interacciones fuertes, débiles o gravitacionales.

leptones obtuvo su nombre de la palabra griega yoeptos- fácil. Estas incluyen partículas que no tienen interacción fuerte: muones (μ – , μ +), electrones (е – , у +), neutrinos electrónicos (v e – ,v e +) y neutrinos muónicos (v – m, v + m). Todos los leptones tienen un espín de ½ y por tanto son fermiones. Todos los leptones tienen una interacción débil. Los que tienen carga eléctrica (es decir, muones y electrones) también tienen fuerza electromagnética.

mesones – partículas inestables que interactúan fuertemente y que no llevan la llamada carga bariónica. Entre ellos esta R-mesones o piones (π +, π –, π 0), A-mesones o kaones (K +, K –, K 0), y este-mesones (η) . Peso A-mesones es ~970me (494 MeV para cargada y 498 MeV para neutral A-mesones). Toda la vida A-mesones tiene una magnitud del orden de 10 –8 s. Se desintegran para formar I-mesones y leptones o solo leptones. Peso este-mesones es 549 MeV (1074me), la vida útil es de aproximadamente 10 a 19 s. Este-los mesones se desintegran para formar mesones π y fotones γ. A diferencia de los leptones, los mesones no solo tienen una interacción débil (y, si están cargados, electromagnética), sino también una interacción fuerte, que se manifiesta cuando interactúan entre sí, así como durante la interacción entre mesones y bariones. Todos los mesones tienen espín cero, por lo que son bosones.

Clase bariones Combina nucleones (p,n) y partículas inestables con una masa mayor que la masa de los nucleones, llamadas hiperones. Todos los bariones tienen una interacción fuerte y, por tanto, interactúan activamente con los núcleos atómicos. El espín de todos los bariones es ½, por lo que los bariones son fermiones. Con excepción del protón, todos los bariones son inestables. Durante la desintegración de los bariones, junto con otras partículas, necesariamente se forma un barión. Este patrón es una de las manifestaciones. ley de conservación de carga bariónica.

Además de las partículas enumeradas anteriormente, se ha descubierto una gran cantidad de partículas de vida corta que interactúan fuertemente, que se denominan resonancias . Estas partículas son estados resonantes formados por dos o más partículas elementales. La vida útil de la resonancia es sólo ~ 10 –23 –10 –22 s.

Las partículas elementales, así como las micropartículas complejas, pueden observarse gracias a las huellas que dejan a su paso por la materia. La naturaleza de las huellas nos permite juzgar el signo de la carga de la partícula, su energía, momento, etc. Las partículas cargadas provocan la ionización de las moléculas a lo largo de su trayectoria. Las partículas neutras no dejan rastros, pero pueden revelarse en el momento de desintegrarse en partículas cargadas o en el momento de colisionar con cualquier núcleo. Por lo tanto, las partículas neutras también se detectan en última instancia mediante la ionización provocada por las partículas cargadas que generan.

Partículas y antipartículas.. En 1928, el físico inglés P. Dirac logró encontrar una ecuación mecánica cuántica relativista para el electrón, de la que se derivan una serie de consecuencias notables. En primer lugar, a partir de esta ecuación se obtienen de forma natural, sin suposiciones adicionales, el espín y el valor numérico del momento magnético del propio electrón. Así, resultó que el espín es una cantidad a la vez cuántica y relativista. Pero esto no agota la importancia de la ecuación de Dirac. También permitió predecir la existencia de la antipartícula del electrón. positrón. De la ecuación de Dirac se obtienen no solo valores positivos sino también negativos para la energía total de un electrón libre. Los estudios de la ecuación muestran que para un momento de partícula dado, existen soluciones a la ecuación correspondientes a las energías: .

Entre la mayor energía negativa (- metro mi Con 2) y la energía menos positiva (+ metro mi C 2) hay un intervalo de valores de energía que no se puede realizar. El ancho de este intervalo es 2. metro mi Con 2. En consecuencia, se obtienen dos regiones de valores propios de energía: una comienza con + metro mi Con 2 y se extiende hasta +∞, el otro comienza desde – metro mi Con 2 y se extiende hasta –∞.

Una partícula con energía negativa debe tener propiedades muy extrañas. Al pasar a estados con cada vez menos energía (es decir, con energía negativa aumentando en magnitud), podría liberar energía, digamos, en forma de radiación, y, dado que | mi| Sin restricciones, una partícula con energía negativa podría emitir una cantidad infinitamente grande de energía. A una conclusión similar se puede llegar de la siguiente manera: de la relación mi=metro mi Con 2 se deduce que una partícula con energía negativa también tendrá una masa negativa. Bajo la influencia de una fuerza de frenado, una partícula con masa negativa no debe disminuir la velocidad, sino acelerar, realizando una cantidad infinitamente grande de trabajo sobre la fuente de la fuerza de frenado. En vista de estas dificultades, parecería que el Estado con energía negativa debería ser excluido de la consideración porque conduce a resultados absurdos. Sin embargo, esto contradeciría algunos principios generales de la mecánica cuántica. Por tanto, Dirac eligió un camino diferente. Propuso que las transiciones de electrones a estados con energía negativa generalmente no se observan porque todos los niveles disponibles con energía negativa ya están ocupados por electrones.

Según Dirac, el vacío es un estado en el que todos los niveles de energía negativa están ocupados por electrones y los niveles con energía positiva están libres. Dado que todos los niveles que se encuentran por debajo de la banda prohibida están ocupados sin excepción, los electrones en estos niveles no se revelan de ninguna manera. Si a uno de los electrones ubicados en niveles negativos se le da energía mi≥ 2metro mi Con 2, entonces este electrón pasará a un estado de energía positiva y se comportará de la forma habitual, como una partícula con masa positiva y carga negativa. Esta primera partícula teóricamente predicha se llamó positrón. Cuando un positrón se encuentra con un electrón, se aniquilan (desaparecen): el electrón pasa de un nivel positivo a uno negativo vacante. La energía correspondiente a la diferencia entre estos niveles se libera en forma de radiación. En la Fig. 4, la flecha 1 representa el proceso de creación de un par electrón-positrón y la flecha 2, su aniquilación. El término "aniquilación" no debe tomarse literalmente. Básicamente, lo que ocurre no es una desaparición, sino una transformación de unas partículas (electrones y positrones) en otras (γ-fotones).

Hay partículas que son idénticas a sus antipartículas (es decir, no tienen antipartículas). Estas partículas se denominan absolutamente neutras. Estos incluyen el fotón, el mesón π 0 y el mesón η. Las partículas idénticas a sus antipartículas no son capaces de aniquilarse. Pero esto no significa que no puedan transformarse en otras partículas.

Si a los bariones (es decir, nucleones e hiperones) se les asigna una carga bariónica (o número bariónico) EN= +1, antibariones – carga bariónica EN= –1, y todas las demás partículas tienen carga bariónica EN= 0, entonces todos los procesos que ocurren con la participación de bariones y antibariones se caracterizarán por la conservación de la carga bariónica, así como los procesos se caracterizan por la conservación de la carga eléctrica. La ley de conservación de la carga bariónica determina la estabilidad del barión más blando, el protón. La transformación de todas las cantidades que describen un sistema físico, en el que todas las partículas son reemplazadas por antipartículas (por ejemplo, electrones con protones y protones con electrones, etc.), se denomina carga de conjugación.

Partículas extrañas.A-Los mesones e hiperones fueron descubiertos como parte de los rayos cósmicos a principios de los años 50 del siglo XX. Desde 1953 se producen en aceleradores. El comportamiento de estas partículas resultó ser tan inusual que se las llamó extrañas. El comportamiento inusual de las partículas extrañas fue que claramente nacieron debido a fuertes interacciones con un tiempo característico del orden de 10 a 23 s, y su vida útil resultó ser del orden de 10 a 8 a 10 a 10 s. Esta última circunstancia indicó que la desintegración de partículas se produce como resultado de interacciones débiles. No estaba del todo claro por qué las extrañas partículas vivieron durante tanto tiempo. Dado que las mismas partículas (mesones π y protones) están involucradas tanto en la creación como en la desintegración del hiperón λ, fue sorprendente que la velocidad (es decir, la probabilidad) de ambos procesos fuera tan diferente. Investigaciones posteriores demostraron que las partículas extrañas nacen en pares. Esto llevó a la idea de que las interacciones fuertes no pueden desempeñar un papel en la desintegración de partículas debido a que para su manifestación es necesaria la presencia de dos partículas extrañas. Por la misma razón, la creación única de partículas extrañas resulta imposible.

Para explicar la prohibición de la producción única de partículas extrañas, M. Gell-Mann y K. Nishijima introdujeron un nuevo número cuántico, cuyo valor total, según su suposición, debería conservarse en caso de interacciones fuertes. Este es un número cuántico. S fue nombrado la extrañeza de la partícula. En interacciones débiles, es posible que la extrañeza no se preserve. Por lo tanto, se atribuye únicamente a partículas que interactúan fuertemente: mesones y bariones.

Neutrino. Neutrino es la única partícula que no participa ni en interacciones fuertes ni electromagnéticas. Excluyendo la interacción gravitacional, en la que participan todas las partículas, los neutrinos sólo pueden participar en interacciones débiles.

Durante mucho tiempo no quedó claro en qué se diferencia un neutrino de un antineutrino. El descubrimiento de la ley de conservación de la paridad combinada permitió responder a esta pregunta: se diferencian en helicidad. Bajo helicidad Se entiende una cierta relación entre las direcciones del impulso. R y de vuelta S partículas. La helicidad se considera positiva si el giro y el impulso están en la misma dirección. En este caso, la dirección del movimiento de las partículas ( R) y la dirección de “rotación” correspondiente al giro forman un tornillo a la derecha. Cuando el giro y el impulso tienen direcciones opuestas, la helicidad será negativa (el movimiento de traslación y la "rotación" forman un tornillo a la izquierda). Según la teoría de los neutrinos longitudinales desarrollada por Yang, Lee, Landau y Salam, todos los neutrinos que existen en la naturaleza, independientemente del método de su origen, siempre están completamente polarizados longitudinalmente (es decir, su giro se dirige paralelo o antiparalelo al impulso). R). Neutrino tiene negativo(izquierda) helicidad (correspondiente a la relación de direcciones S Y R, mostrado en la Fig. 5 (b), antineutrino – helicidad positiva (derecha) (a). Por tanto, la helicidad es lo que distingue a los neutrinos de los antineutrinos.

Arroz. 5. Esquema de helicidad de partículas elementales.

Sistemática de partículas elementales. Los patrones observados en el mundo de las partículas elementales pueden formularse en forma de leyes de conservación. Ya se han acumulado muchas de estas leyes. Algunos de ellos resultan no ser exactos, sino sólo aproximados. Cada ley de conservación expresa una cierta simetría del sistema. Leyes de conservación del impulso. R, momento angular l y energía mi reflejar las propiedades de simetría del espacio y el tiempo: conservación mi es consecuencia de la homogeneidad del tiempo, la preservación R debido a la homogeneidad del espacio, y la preservación l– su isotropía. La ley de conservación de la paridad está asociada con la simetría entre derecha e izquierda ( R-invariancia). La simetría con respecto a la conjugación de carga (simetría de partículas y antipartículas) conduce a la conservación de la paridad de carga ( CON-invariancia). Las leyes de conservación de las cargas eléctricas, bariónicas y leptónicas expresan una simetría especial. CON-funciones. Finalmente, la ley de conservación del espín isotópico refleja la isotropía del espacio isotópico. El incumplimiento de una de las leyes de conservación significa una violación del tipo de simetría correspondiente en esta interacción.

En el mundo de las partículas elementales se aplica la siguiente regla: todo lo que no esté prohibido por las leyes de conservación está permitido. Estos últimos desempeñan el papel de reglas de exclusión que rigen la interconversión de partículas. En primer lugar, observemos las leyes de conservación de la energía, el momento y la carga eléctrica. Estas tres leyes explican la estabilidad del electrón. De la conservación de la energía y el momento se deduce que la masa total en reposo de los productos de desintegración debe ser menor que la masa en reposo de la partícula en descomposición. Esto significa que un electrón sólo podría descomponerse en neutrinos y fotones. Pero estas partículas son eléctricamente neutras. Entonces resulta que el electrón simplemente no tiene a quién transferir su carga eléctrica, por lo que es estable.

Quarks. Han surgido tantas partículas llamadas elementales que han surgido serias dudas sobre su naturaleza elemental. Cada una de las partículas que interactúan fuertemente se caracteriza por tres números cuánticos aditivos independientes: carga q, hipercarga Ud. y carga bariónica EN. En este sentido, surgió la hipótesis de que todas las partículas están formadas por tres partículas fundamentales: portadoras de estas cargas. En 1964, Gell-Mann y, independientemente de él, el físico suizo Zweig propusieron una hipótesis según la cual todas las partículas elementales están formadas por tres partículas llamadas quarks. A estas partículas se les asignan números cuánticos fraccionarios, en particular, una carga eléctrica igual a +⅔; –⅓; +⅓ respectivamente para cada uno de los tres quarks. Estos quarks suelen designarse con las letras Ud.,D,S. Además de los quarks, se consideran antiquarks ( tu,d,s). Hasta la fecha se conocen 12 quarks: 6 quarks y 6 antiquarks. Los mesones se forman a partir de un par quark-antiquark y los bariones se forman a partir de tres quarks. Por ejemplo, un protón y un neutrón se componen de tres quarks, lo que hace que el protón o el neutrón sean incoloros. En consecuencia, se distinguen tres cargas de interacciones fuertes: rojo ( R), amarillo ( Y) y verde ( GRAMO).

A cada quark se le asigna el mismo momento magnético (μV), cuyo valor no está determinado teóricamente. Los cálculos realizados sobre la base de esta suposición dan el valor del momento magnético μ p para el protón. = μ kv, y para un neutrón μ n = – ⅔μ cuadrado

Así, para la relación de momentos magnéticos se obtiene el valor μ p. / μn = –⅔, en excelente concordancia con el valor experimental.

Básicamente, el color del quark (como el signo de la carga eléctrica) comenzó a expresar la diferencia en la propiedad que determina la atracción y repulsión mutua de los quarks. Por analogía con cuantos de campos de diversas interacciones (fotones en interacciones electromagnéticas, R-mesones en interacciones fuertes, etc.) se introdujeron partículas que llevaban la interacción entre quarks. Estas partículas fueron llamadas gluones. Transfieren color de un quark a otro, haciendo que los quarks se mantengan unidos. En física de quarks se formuló la hipótesis del confinamiento (del inglés. confinamientos– captura) de quarks, según la cual es imposible restar un quark del total. Sólo puede existir como un elemento del todo. La existencia de quarks como partículas reales en física está demostrada de forma fiable.

La idea de los quarks resultó muy fructífera. Permitió no sólo sistematizar partículas ya conocidas, sino también predecir toda una serie de otras nuevas. La situación que se ha desarrollado en la física de las partículas elementales recuerda a la situación creada en la física atómica tras el descubrimiento de la ley periódica en 1869 por D. I. Mendelev. Aunque la esencia de esta ley se aclaró sólo unos 60 años después de la creación de la mecánica cuántica, permitió sistematizar los elementos químicos conocidos en ese momento y, además, condujo a la predicción de la existencia de nuevos elementos y sus propiedades. . Del mismo modo, los físicos han aprendido a sistematizar las partículas elementales y la taxonomía desarrollada ha permitido, en raros casos, predecir la existencia de nuevas partículas y anticipar sus propiedades.

Así, en la actualidad, los quarks y los leptones pueden considerarse verdaderamente elementales; hay 12 de ellos, o junto con los anti-chatits: 24. Además, hay partículas que proporcionan cuatro interacciones fundamentales (cuantos de interacción). Hay 13 de estas partículas: gravitón, fotón, W.± - y z-partículas y 8 gluones.

Las teorías existentes sobre partículas elementales no pueden indicar cuál es el comienzo de la serie: átomos, núcleos, hadrones, quarksEn esta serie, cada estructura material más compleja incluye una más simple como componente. Al parecer, esto no puede continuar indefinidamente. Se suponía que la cadena descrita de estructuras materiales se basaba en objetos de naturaleza fundamentalmente diferente. Se ha demostrado que tales objetos pueden no ser puntiagudos, sino formaciones extendidas, aunque extremadamente pequeñas (~10 -33 cm), llamadas supercuerdas. La idea descrita no es realizable en nuestro espacio de cuatro dimensiones. Esta área de la física es generalmente extremadamente abstracta y es muy difícil encontrar modelos visuales que ayuden a simplificar la percepción de las ideas inherentes a las teorías de las partículas elementales. Sin embargo, estas teorías permiten a los físicos expresar la transformación mutua y la interdependencia de los microobjetos "más elementales", su conexión con las propiedades del espacio-tiempo de cuatro dimensiones. El más prometedor es el llamado Teoría M (Soy de misterio- acertijo, secreto). ella esta operando espacio de doce dimensiones . En última instancia, durante la transición al mundo de cuatro dimensiones que percibimos directamente, todas las dimensiones "extra" se "colapsan". La teoría M es hasta ahora la única teoría que permite reducir cuatro interacciones fundamentales a una: la llamada Superpotencia. También es importante que la teoría M permita la existencia de mundos diferentes y establezca las condiciones que aseguren el surgimiento de nuestro mundo. La teoría M aún no está suficientemente desarrollada. Se cree que el final "teoría del todo" basado en la teoría M se construirá en el siglo XXI.