Buvo atrasta daugiau nei 350 elementariųjų dalelių. Iš jų fotonas, elektronas ir miuonas neutrinas, elektronas, protonas ir jų antidalelės yra stabilūs. Likusios elementarios dalelės spontaniškai skyla pagal eksponentinį dėsnį, kurio laiko konstanta yra nuo maždaug 1000 sekundžių (laisvam neutronui) iki nereikšmingos sekundės dalies (nuo 10–24 iki 10–22 s rezonansams).
Elementariųjų dalelių sandarą ir elgseną tiria elementariųjų dalelių fizika.
Visoms elementarioms dalelėms galioja tapatumo principas (visos to paties tipo elementarios dalelės Visatoje yra visiškai identiškos visomis savo savybėmis) ir bangos-dalelės dvilypumo principas (kiekviena elementarioji dalelė atitinka de Broglie bangą).
Visos elementarios dalelės turi tarpusavio konvertuojamumo savybę, kuri yra jų sąveikos pasekmė: stipriosios, elektromagnetinės, silpnosios, gravitacinės. Dalelių sąveika sukelia dalelių ir jų rinkinių virsmą kitomis dalelėmis ir jų rinkiniais, jeigu tokių virsmų nedraudžia energijos tvermės, judesio, kampinio momento, elektros krūvio, bariono krūvio ir kt.
Pagrindinės elementariųjų dalelių charakteristikos: masė, sukinys, elektros krūvis, gyvavimo trukmė, paritetas, G-paritetas, magnetinis momentas, bariono krūvis, leptono krūvis, keistumas, izotopinis sukinys, CP paritetas, krūvio paritetas.
Enciklopedinis „YouTube“.
1 / 5
✪ Elementariosios dalelės
✪ CERN: standartinis dalelių fizikos modelis
✪ 473 pamoka. Elementariosios dalelės. Pozitronas. Neutrinas
✪ Visatos plytos: elementarios dalelės, sudarančios pasaulį. Profesoriaus David Tong paskaita.
✪ Elementariųjų dalelių pasaulis (pasakojo akademikas Valerijus Rubakovas)
Subtitrai
klasifikacija
Pagal gyvenimą
- Stabiliosios elementarios dalelės – tai dalelės, kurių gyvavimo laikas be galo ilgas laisvoje būsenoje (protonas, elektronas, neutrinas, fotonas, gravitonas ir jų antidalelės).
- Nestabilios elementarios dalelės – tai dalelės, kurios per ribotą laiką laisvoje būsenoje suyra į kitas daleles (visos kitos dalelės).
Pagal svorį
Visos elementarios dalelės skirstomos į dvi klases:
- Bemasės dalelės – tai nulinės masės dalelės (fotonas, gliuonas, gravitonas ir jų antidalelės).
- Dalelės, kurių masė skiriasi nuo nulio (visos kitos dalelės).
Pagal didžiausią nugarą
Visos elementarios dalelės skirstomos į dvi klases:
Pagal sąveikos tipą
Elementariosios dalelės skirstomos į šias grupes:
Sudėtinės dalelės
- Hadronai yra dalelės, dalyvaujančios visų tipų pagrindinėse sąveikose. Jie susideda iš kvarkų ir savo ruožtu skirstomi į:
- mezonai yra hadronai su sveikuoju sukiniu, tai yra, jie yra bozonai;
- barionai yra hadronai su pusiau sveikuoju skaičiumi, tai yra, fermionai. Tai visų pirma apima daleles, kurios sudaro atomo branduolį - protoną ir neutroną.
Fundamentalios (bestruktūrinės) dalelės
- Leptonai yra taškinių dalelių pavidalo (tai yra iš nieko nesudarantys) iki 10–18 m dydžio. Jie nedalyvauja stiprioje sąveikoje. Dalyvavimas elektromagnetinėse sąveikose eksperimentiškai buvo stebimas tik įkrautiems leptonams (elektronams, miuonams, tau leptonams), o neutrinams nebuvo pastebėtas. Yra žinomi 6 leptonų tipai.
- Kvarkai yra dalinio krūvio dalelės, kurios yra hadronų dalis. Laisvoje būsenoje jie nebuvo pastebėti (tokių stebėjimų nebuvimui paaiškinti buvo pasiūlytas įkalinimo mechanizmas). Kaip ir leptonai, jie skirstomi į 6 tipus ir laikomi bestruktūriais, tačiau, skirtingai nei leptonai, dalyvauja stiprioje sąveikoje.
- Matavimo bozonai yra dalelės, kuriomis keičiantis vyksta sąveika:
- fotonas – dalelė, kuri atlieka elektromagnetinę sąveiką;
- aštuoni gliuonai – dalelės, turinčios stiprią sąveiką;
- trys tarpiniai vektoriniai bozonai W + , W− ir Z 0, kurie toleruoja silpną sąveiką;
- gravitonas yra hipotetinė dalelė, kuri perduoda gravitacinę sąveiką. Gravitonų egzistavimas, nors dar nėra eksperimentiškai įrodytas dėl gravitacinės sąveikos silpnumo, yra laikomas gana tikėtinu; tačiau gravitonas neįtrauktas į Standartinį elementariųjų dalelių modelį.
Elementariųjų dalelių dydžiai
Nepaisant didelės elementariųjų dalelių įvairovės, jų dydžiai suskirstyti į dvi grupes. Hadronų (tiek barionų, tiek mezonų) dydžiai yra apie 10–15 m, tai yra artimas vidutiniam atstumui tarp juose esančių kvarkų. Fundamentinių, bestruktūrių dalelių – matuoklio bozonų, kvarkų ir leptonų – dydžiai eksperimentinėje paklaidoje atitinka jų taškinį pobūdį (viršutinė skersmens riba yra apie 10–18 m) ( žr. paaiškinimą). Jei tolesniuose eksperimentuose galutiniai šių dalelių dydžiai nebus aptikti, tai gali reikšti, kad matuojamųjų bozonų, kvarkų ir leptonų dydžiai yra artimi pagrindiniam ilgiui (kuris, labai tikėtina, gali būti Plancko ilgis, lygus 1,6 10–35 m) .
Tačiau reikia pažymėti, kad elementariosios dalelės dydis yra gana sudėtinga sąvoka, kuri ne visada atitinka klasikines sąvokas. Pirma, neapibrėžtumo principas neleidžia griežtai lokalizuoti fizinės dalelės. Bangų paketas, vaizduojantis dalelę kaip tiksliai lokalizuotų kvantinių būsenų superpoziciją, visada turi baigtinius matmenis ir tam tikrą erdvinę struktūrą, o paketo matmenys gali būti gana makroskopiniai – pavyzdžiui, elektronas eksperimente su trukdžiais dviejuose plyšiuose. „jaučia“ abu interferometro plyšius, atskirtus makroskopiniu atstumu. Antra, fizinė dalelė pakeičia vakuumo struktūrą aplink save, sukurdama trumpalaikių virtualių dalelių „kailį“ – fermionų-antifermionų poras (žr. Vakuumo poliarizacija) ir bozonus, kurie atlieka sąveiką. Šios srities erdviniai matmenys priklauso nuo dalelės turimų krūvių ir tarpinių bozonų masių (masyvių virtualių bozonų apvalkalo spindulys yra artimas jų Komptono bangos ilgiui, kuris, savo ruožtu, yra atvirkščiai proporcingas jų masei ). Taigi elektrono spindulys neutrinų požiūriu (tarp jų galima tik silpna sąveika) yra maždaug lygus W-bozonų Komptono bangos ilgiui ~3 × 10 −18 m, o srities matmenims. stiprią hadrono sąveiką lemia lengviausio hadrono, pi-mezono (~10–15 m), Komptono bangos ilgis, čia veikiantis kaip sąveikos nešėjas.
Istorija
Iš pradžių terminas „elementarioji dalelė“ reiškė kažką absoliučiai elementaraus, pirmąją materijos plytą. Tačiau kai šeštajame ir šeštajame dešimtmetyje buvo aptikta šimtai panašias savybes turinčių hadronų, paaiškėjo, kad hadronai turi bent vidinius laisvės laipsnius, tai yra, jie nėra elementarūs griežtąja to žodžio prasme. Vėliau šis įtarimas pasitvirtino, kai paaiškėjo, kad hadronai susideda iš kvarkų.
Taigi fizikai šiek tiek įsigilino į materijos struktūrą: leptonai ir kvarkai dabar laikomi elementariausiomis, taškinėmis materijos dalimis. Jiems (kartu su matuoklio bozonais) terminas „ esminis dalelės“.
Stygų teorijoje, kuri buvo aktyviai plėtojama maždaug nuo devintojo dešimtmečio vidurio, daroma prielaida, kad elementarios dalelės ir jų sąveika yra įvairių ypač mažų „stygų“ virpesių tipų pasekmės.
Standartinis modelis
Standartinis elementariųjų dalelių modelis apima 12 skonių fermionų, juos atitinkančias antidaleles, taip pat matuojamuosius bozonus (fotonus, gliuonus, W- Ir Z-bozonai), pernešantys dalelių sąveiką, ir 2012 m. atrastas Higso bozonas, atsakingas už inercinės masės buvimą dalelėse. Tačiau į standartinį modelį daugiausia žiūrima kaip į laikina, o ne į tikrai pagrindinę teoriją, nes jame nėra gravitacijos ir yra kelios dešimtys laisvų parametrų (dalelių masės ir kt.), kurių reikšmės tiesiogiai išplaukia ne iš jų. teorija. Galbūt yra elementariųjų dalelių, kurios nėra aprašytos standartiniame modelyje – pavyzdžiui, gravitonas (dalelė, kuri neša gravitacijos jėgas) arba supersimetriški paprastų dalelių partneriai. Iš viso modelis apibūdina 61 dalelę.
Fermionai
12 skonių fermionų yra suskirstyti į 3 šeimas (kartas) po 4 daleles. Šeši iš jų yra kvarkai. Kiti šeši yra leptonai, iš kurių trys yra neutrinai, o likę trys turi vienetinį neigiamą krūvį: elektroną, miuoną ir tau leptoną.
| Pirmoji karta | Antroji karta | Trečioji karta |
|---|---|---|
ELEMENTARY DALELĖS- pirminės, toliau neskaidomos dalelės, iš kurių, kaip manoma, susideda visa medžiaga. Šiuolaikinėje fizikoje terminas „elementariosios dalelės“ paprastai vartojamas apibūdinti didelei grupei mažyčių medžiagos dalelių, kurios nėra atomai (žr. „Atomas“) ar atomų branduoliai (žr. „Atomo branduolys“); Išimtis yra vandenilio atomo branduolys – protonas.
Iki XX amžiaus 80-ųjų mokslas žinojo daugiau nei 500 elementariųjų dalelių, kurių dauguma buvo nestabilios. Elementariosios dalelės yra protonai (p), neutronai (n), elektronai (e), fotonai (γ), pi-mezonai (π), miuonai (μ), sunkieji leptonai (τ +, τ -), trijų tipų neutrinai - elektroninės (V e), miuoninės (V μ) ir susijusios su vadinamuoju sunkiuoju deptonu (V τ), taip pat „keistos“ dalelės (K-mezonai ir hiperonai), įvairūs rezonansai, mezonai su paslėptu žavesiu, „žavi ” dalelės, upsilono dalelės (Υ), „gražiosios“ dalelės, tarpiniai vektoriniai bozonai ir tt Atsirado savarankiška fizikos šaka – elementariųjų dalelių fizika.
Dalelių fizikos istorija siekia 1897 m., kai J. J. Thomsonas atrado elektroną (žr. Elektronų spinduliavimas); 1911 metais R. Millikanas išmatavo jo elektros krūvio dydį. „Fotono“ – šviesos kvanto – sąvoką M. Planckas įvedė 1900 m. Tiesioginius eksperimentinius fotono egzistavimo įrodymus gavo Millikanas (1912-1915) ir Comptonas (A. N. Compton, 1922). Tyrinėdamas atomo branduolį, E. Rutherfordas atrado protoną (žr. Protonų spinduliavimas), o 1932 metais J. Chadwickas atrado neutroną (žr. Neutronų spinduliavimas). 1953 metais eksperimentiškai buvo įrodytas neutrinų egzistavimas, kurį W. Pauli numatė dar 1930 m.
Elementariosios dalelės skirstomos į tris grupes. Pirmąją vaizduoja viena elementarioji dalelė – fotonas, γ-kvantas arba elektromagnetinės spinduliuotės kvantas. Antroji grupė – leptonai (gr. leptos mažas, lengvas), be elektromagnetinių dalyvaujantys ir silpnoje sąveikoje. Yra žinomi 6 leptonai: elektroninis ir elektroninis neutrinas, miuonas ir miuoninis neutrinas, sunkusis τ-leptonas ir atitinkamas neutrinas. Trečia – pagrindinė elementariųjų dalelių grupė yra hadronai (graikiškai hadros dideli, stiprūs), dalyvaujantys visų tipų sąveikose, įskaitant ir stiprią sąveiką (žr. toliau). Hadronai apima dviejų tipų daleles: barionus (graikiškai barys sunkusis) – daleles, kurių sukimasis yra pusiau sveikasis skaičius, o masė ne mažesnė už protono masę, ir mezonai (graikiškai mezos terpė) – dalelės, kurių sukimasis nulinis arba sveikasis skaičius (žr. Elektronų paramagnetinis rezonansas). Barionai apima protoną ir neutroną, hiperonus, kai kuriuos rezonansus ir „žaviąsias“ daleles bei kai kurias kitas elementarias daleles. Vienintelis stabilus barionas yra protonas, likę barionai yra nestabilūs (laisvos būsenos neutronas yra nestabili dalelė, bet surištoje būsenoje stabilių atomų branduolių viduje jis yra stabilus. Mezonai gavo savo pavadinimą dėl to, kad pirmųjų masės atrasti mezonai - pi-mezonas ir K-mezonas - turėjo tarpines protono ir elektrono mases. Vėliau buvo atrasti mezonai, kurių masė viršija protono masę (S ) - nulinis, teigiamas arba neigiamas kvantinis skaičius vadinamas įprastais, o su S ≠ 0 - keistais 1964 m. G. Zweigas ir M. Gell-Mann pasiūlė hadronų kvarkų struktūrą Daugybė eksperimentų rodo, kad kvarkai yra tikros medžiagos dariniai kvarkų viduje, turi nemažai neįprastų savybių, pavyzdžiui, dalinis elektros krūvis ir pan. Kvarkai nebuvo pastebėti laisvoje būsenoje. Manoma, kad visi hadronai susidaro dėl įvairių kvarkų kombinacijų.
Iš pradžių elementariosios dalelės buvo tiriamos radioaktyvaus skilimo (žr. Radioaktyvumas) ir kosminės spinduliuotės (žr.) tyrime. Tačiau nuo XX amžiaus šeštojo dešimtmečio buvo atliekami elementariųjų dalelių tyrimai ant įkrautų dalelių greitintuvų (žr.), kuriuose pagreitintos dalelės bombarduoja taikinį arba susiduria su dalelėmis, skrendančiomis link jų. Šiuo atveju dalelės sąveikauja viena su kita, todėl jos virsta tarpusavyje. Taip buvo atrasta dauguma elementariųjų dalelių.
Kiekviena elementarioji dalelė kartu su jai būdingų sąveikų specifika apibūdinama tam tikrų fizinių dydžių diskrečiųjų verčių rinkiniu, išreikštu sveikaisiais arba trupmeniniais skaičiais (kvantiniais skaičiais). Bendros visų elementariųjų dalelių charakteristikos yra masė (m), tarnavimo laikas (t), sukimasis (J) - elementariųjų dalelių vidinis kampinis impulsas, kuris turi kvantinį pobūdį ir nesusijęs su visos dalelės judėjimu, elektros krūvis (Ω) ir magnetinis momentas (μ). Tirtų elementariųjų dalelių elektros krūviai absoliučia reikšme yra sveikieji elektronų krūvio kartotiniai (e≈1,6*10 -10 k). Žinomos elementariosios dalelės elektros krūviai lygūs 0, ±1 ir ±2.
Visos elementarios dalelės turi atitinkamas antidaleles, kurių masė ir sukimasis yra lygūs dalelės masei ir sukimuisi, o elektros krūvis, magnetinis momentas ir kitos charakteristikos yra vienodos absoliučia reikšme ir priešingos ženklu. Pavyzdžiui, elektrono antidalelė yra pozitronas – elektronas, turintis teigiamą elektros krūvį. Elementarioji dalelė, kuri yra identiška jos antidalelei, vadinama tikrai neutralia, pavyzdžiui, neutronas ir antineutronas, neutrinas ir antineutrinas ir tt Kai antidalelės sąveikauja viena su kita, įvyksta jų anihiliacija (žr.).
Kai elementarioji dalelė patenka į materialią aplinką, ji su ja sąveikauja. Yra stiprios, elektromagnetinės, silpnosios ir gravitacinės sąveikos. Stipri sąveika (stipresnė už elektromagnetinę sąveiką) vyksta tarp elementariųjų dalelių, esančių mažesniu nei 10 -15 m atstumu (1 Fermi). Esant didesniems nei 1,5 Fermi atstumams, dalelių sąveikos jėga yra artima nuliui. Būtent stipri elementariųjų dalelių sąveika suteikia išskirtinį atomo branduolių stiprumą, kuris yra medžiagos stabilumo antžeminėmis sąlygomis pagrindas. Būdingas stiprios sąveikos bruožas yra jos nepriklausomumas nuo elektros krūvio. Hadronai gali stipriai sąveikauti. Stipri sąveika sukelia trumpaamžių dalelių skilimą (gyvenimo trukmė maždaug 10 -23 - 10 -24 sek.), kurios vadinamos rezonansais.
Visos įkrautos elementarios dalelės, fotonai ir neutralios dalelės, turinčios magnetinį momentą (pavyzdžiui, neutronai), yra veikiamos elektromagnetinės sąveikos. Elektromagnetinės sąveikos pagrindas yra ryšys su elektromagnetiniu lauku. Elektromagnetinės sąveikos jėgos yra maždaug 100 kartų silpnesnės nei stiprios sąveikos jėgos. Pagrindinė elektromagnetinės sąveikos sritis yra atomai ir molekulės (žr. Molekulė). Ši sąveika lemia kietųjų medžiagų struktūrą ir cheminės medžiagos pobūdį. procesus. Jo neriboja atstumas tarp elementariųjų dalelių, todėl atomo dydis yra maždaug 10 4 kartus didesnis už atomo branduolio dydį.
Silpna sąveika yra itin lėtų procesų, kuriuose dalyvauja elementarios dalelės, pagrindas. Pavyzdžiui, neutrinai, kurių sąveika silpna, gali lengvai prasiskverbti į Žemės ir Saulės storį. Silpna sąveika taip pat sukelia lėtą vadinamųjų beveik stabilių elementariųjų dalelių skilimą, kurių gyvenimo trukmė yra 10 8 - 10 -10 sek. Elementariosios dalelės, gimusios stiprios sąveikos metu (per 10 -23 -10 -24 sek.), bet lėtai suyrančios (10 -10 sek.), vadinamos keistomis.
Gravitacinė sąveika tarp elementariųjų dalelių sukelia labai mažus efektus dėl dalelių masės nereikšmingumo. Šis sąveikos tipas buvo gerai ištirtas didelių masių makroobjektuose.
Skirtingų fizikinių savybių elementariųjų dalelių įvairovė paaiškina jų sisteminimo sunkumus. Iš visų elementariųjų dalelių tik fotonai, elektronai, neutrinai, protonai ir jų antidalelės iš tikrųjų yra stabilūs, nes jų gyvavimo laikas yra ilgas. Šios dalelės yra galutiniai kitų elementariųjų dalelių savaiminio virsmo produktai. Elementariosios dalelės gali gimti dėl pirmųjų trijų tipų sąveikos. Stipriai sąveikaujančių dalelių kūrimo šaltinis yra stiprios sąveikos reakcijos. Leptonai greičiausiai atsiranda irstant kitoms elementarioms dalelėms arba gimsta poromis (dalelė + antidalelė) veikiami fotonų.
Elementariųjų dalelių srautai formuoja jonizuojančiąją spinduliuotę (žr.), sukeldami neutralių terpės molekulių jonizaciją. Elementariųjų dalelių biologinis poveikis yra susijęs su didelio cheminio aktyvumo medžiagų susidarymu apšvitintuose audiniuose ir kūno skysčiuose. Šioms medžiagoms priskiriami laisvieji radikalai (žr. Laisvieji radikalai), peroksidai (žr.) ir kt. Elementariosios dalelės taip pat gali turėti tiesioginį poveikį biomolekulėms ir supramolekulinėms struktūroms, sukelti intramolekulinių ryšių plyšimą, didelės molekulinės masės junginių depolimerizaciją ir kt. Energijos migracijos ir metastabilių junginių susidarymo procesai, atsirandantys dėl ilgalaikio būsenos išsaugojimo sužadinimo kai kuriuose stambiamolekuliniuose substratuose. Ląstelėse slopinamas arba iškraipomas fermentų sistemų aktyvumas, pakinta ląstelių membranų ir paviršiaus ląstelių receptorių struktūra, dėl to padidėja membranų pralaidumas ir pasikeičia difuzijos procesai, lydimi baltymų denatūracijos, audinių dehidratacijos, ir ląstelės vidinės aplinkos sutrikimas. Ląstelių jautrumas labai priklauso nuo jų mitozinio dalijimosi intensyvumo (žr. Mitozė) ir medžiagų apykaitos: padidėjus šiam intensyvumui, didėja audinių jautrumas radiacijai (žr. Radiosensibilizacija). Jų panaudojimas spindulinei terapijai (žr.), ypač gydant piktybinius navikus, pagrįstas šia elementariųjų dalelių srautų savybe – jonizuojančia spinduliuote. Įkrautų elementariųjų dalelių gebėjimas prasiskverbti didele dalimi priklauso nuo linijinio energijos perdavimo (žr.), tai yra nuo vidutinės energijos, kurią terpė sugeria įkrautos dalelės praėjimo taške, jos kelio vienetui.
Žalingas elementariųjų dalelių srauto poveikis ypač paveikia kraujodaros audinio kamienines ląsteles, sėklidžių epitelį, plonąją žarną ir odą (žr. Radiacinė liga, Radiacinė žala). Pirmiausia paveikiamos sistemos, kurios yra aktyvios organogenezės ir diferenciacijos būsenos švitinimo metu (žr. Kritinis organas).
Elementariųjų dalelių biologinis ir gydomasis poveikis priklauso nuo jų tipo ir spinduliuotės dozės (žr. Jonizuojančiosios spinduliuotės dozės). Pavyzdžiui, visą žmogaus kūną veikiant rentgeno spinduliuote (žr. Rentgeno terapija), gama spinduliuote (žr. Gama terapija) ir protonų spinduliuote (žr. Protonų terapija), kai dozė yra apie 100 rad. stebima hematopoezė; Išorinis neutroninės spinduliuotės poveikis (žr. Neutronų spinduliavimas) sukelia įvairių radioaktyvių medžiagų, pavyzdžiui, natrio, fosforo ir kt., susidarymą. Kai patenka radionuklidai, kurie yra beta dalelių (elektronų ar pozitronų) arba gama kvantų šaltiniai. kūno, tai įvyksta, vadinama vidine kūno apšvitinimu (žr. Radioaktyviųjų medžiagų įtraukimas). Šiuo atžvilgiu ypač pavojingi, pavyzdžiui, greitai rezorbuojami radionuklidai, kurių organizme pasiskirstymas yra vienodas. tritis (3H) ir polonis-210.
Radionuklidai, kurie yra elementariųjų dalelių šaltiniai ir dalyvauja medžiagų apykaitoje, naudojami radioizotopinėje diagnostikoje (žr.).
Bibliografija: Akhiezer A.I. ir Rekalo M.P. elementariųjų dalelių biografija, Kijevas, 1983, bibliogr.; Bogolyubov N. N. ir Shirokov D. V. Kvantiniai laukai, M., 1980; Gimė M. Atominė fizika, vert. iš anglų k., M., 1965; Jones X. Radiologijos fizika, vert. iš anglų k., 1965 m. Krongauz A. N., Lyapidevsky V. K. ir Frolova A. V. Fiziniai klinikinės dozimetrijos pagrindai, M., 1969; Spindulinė terapija naudojant didelės energijos spinduliuotę, red. I. Becker ir G. Schubert, vert. iš vokiečių kalbos, M., 1964 m. Tyubiana M. ir kt. Fiziniai spindulinės terapijos ir radiobiologijos pagrindai, vert. iš prancūzų kalbos, M., 1969; Shpolsky E.V. Atominė fizika, t. 1, M., 1984; Jaunosios Ch. Elementariosios dalelės, vert. iš anglų kalbos, 1963 m.
R. V. Stavntskis.
Žodis atomas reiškia „nedalomas“. Ją įvedė graikų filosofai, norėdami nurodyti mažiausias daleles, iš kurių, jų supratimu, susideda materija.
Devynioliktojo amžiaus fizikai ir chemikai šį terminą priėmė mažiausias jiems žinomas daleles. Nors mes jau seniai galėjome „skaldyti“ atomus, o nedalomasis nustojo būti nedalomas, vis dėlto šis terminas buvo išsaugotas. Pagal mūsų dabartinį supratimą, atomas susideda iš mažų dalelių, kurias mes vadiname elementariosios dalelės. Taip pat yra ir kitų elementariųjų dalelių, kurios iš tikrųjų nėra atomų dalis. Paprastai jie gaminami naudojant didelės galios ciklotronus, sinchrotronus ir kitus dalelių greitintuvus, specialiai sukurtus šioms dalelėms tirti. Jie taip pat atsiranda, kai kosminiai spinduliai praeina per atmosferą. Šios elementarios dalelės suyra per kelias milijonines sekundės dalis, o dažnai net per trumpesnį laiką po jų atsiradimo. Dėl skilimo jie arba virsta kitomis elementariomis dalelėmis, arba išskiria energiją spinduliuotės pavidalu.
Tyrinėjant elementariąsias daleles, dėmesys sutelkiamas į vis didesnį trumpaamžių elementariųjų dalelių skaičių. Nors ši problema yra labai svarbi, ypač dėl to, kad ji yra susijusi su pagrindiniais fizikos dėsniais, vis dėlto dalelių tyrimai šiuo metu vykdomi beveik atskirai nuo kitų fizikos šakų. Dėl šios priežasties mes apsiribosime nagrinėdami tik tas daleles, kurios yra nuolatinės labiausiai paplitusių medžiagų sudedamosios dalys, taip pat kai kurias daleles, kurios yra labai artimos joms. Pirmoji iš devynioliktojo amžiaus pabaigoje atrastų elementariųjų dalelių buvo elektronas, kuris vėliau tapo itin naudingu tarnu. Radijo vamzdžiuose elektronų srautas juda vakuume; ir būtent reguliuojant šį srautą gaunami radijo signalai sustiprinami ir paverčiami garsu arba triukšmu. Televizoriuje elektronų spindulys tarnauja kaip rašiklis, kuris imtuvo ekrane akimirksniu ir tiksliai nukopijuoja tai, ką mato siųstuvo kamera. Abiem šiais atvejais elektronai juda vakuume, kad, jei įmanoma, niekas netrukdytų jų judėjimui. Kita naudinga savybė yra jų gebėjimas, praeinant per dujas, priversti jas švytėti. Taigi, leisdami elektronams prasiskverbti pro stiklinį vamzdelį, pripildytą tam tikro slėgio dujomis, šį reiškinį naudojame neoninei šviesai gaminti, kuri naktį naudojama dideliems miestams apšviesti. Ir štai dar vienas susitikimas su elektronais: blykstelėjo žaibai, o daugybė elektronų, prasiskverbdami pro oro storį, sukuria riedantį griaustinio garsą.
Tačiau antžeminėmis sąlygomis yra palyginti nedaug elektronų, kurie gali laisvai judėti, kaip matėme ankstesniuose pavyzdžiuose. Dauguma jų yra saugiai surišti atomais. Kadangi atomo branduolys yra teigiamai įkrautas, jis pritraukia neigiamo krūvio elektronus, priversdamas juos likti orbitose gana arti branduolio. Atomas paprastai susideda iš branduolio ir kelių elektronų. Jei elektronas palieka atomą, dažniausiai jį iš karto pakeičia kitas elektronas, kurį atomo branduolys su didele jėga pritraukia iš savo artimiausios aplinkos.
Kaip atrodo šis nuostabus elektronas? Niekas jo nematė ir niekada nepamatys; ir vis dėlto mes taip gerai žinome jo savybes, kad galime labai detaliai nuspėti, kaip jis elgsis pačiose įvairiausiose situacijose. Žinome jo masę („svorį“) ir elektros krūvį. Žinome, kad dažniausiai jis elgiasi taip, tarsi žmogus prieš mus būtų labai mažas dalelė, kitais atvejais jis pasižymi savybėmis bangos. Itin abstrakčią, bet kartu ir labai tikslią elektrono teoriją pilna forma prieš kelis dešimtmečius pasiūlė anglų fizikas Diracas. Ši teorija suteikia mums galimybę nustatyti, kokiomis aplinkybėmis elektronas bus panašesnis į dalelę ir kokiomis aplinkybėmis vyraus jo banginis pobūdis. Dėl šios dvejopos prigimties – dalelės ir bangos – sunku pateikti aiškų elektrono vaizdą; todėl teorija, kuri atsižvelgia į abi šias sąvokas ir vis dėlto pateikia išsamų elektrono aprašymą, turi būti labai abstrakti. Tačiau būtų neprotinga apsiriboti tokio nuostabaus reiškinio kaip elektronas aprašymu tokiais žemiškais vaizdais kaip žirniai ir bangos.
Viena iš Dirako teorijos apie elektroną prielaidų buvo ta, kad turi egzistuoti elementarioji dalelė, kurios savybės yra tokios pat kaip ir elektronas, išskyrus tai, kad ji yra teigiamai įkrauta, o ne neigiamai. Iš tiesų toks elektronų dvynys buvo atrastas ir pavadintas pozitronas. Tai yra kosminių spindulių dalis, taip pat atsiranda dėl tam tikrų radioaktyviųjų medžiagų skilimo. Antžeminėmis sąlygomis pozitrono gyvenimas yra trumpas. Kai tik atsiduria šalia elektrono, o tai vyksta visose medžiagose, elektronas ir pozitronas „sunaikina“ vienas kitą; Teigiamas pozitrono elektrinis krūvis neutralizuoja neigiamą elektrono krūvį. Kadangi, remiantis reliatyvumo teorija, masė yra energijos forma, o energija yra „nesunaikinama“, elektrono ir pozitrono jungtinės masės atspindima energija turi būti kažkaip išsaugota. Šią užduotį atlieka fotonas (šviesos kvantas) arba paprastai du fotonai, kurie išsiskiria dėl šio lemtingo susidūrimo; jų energija lygi elektrono ir pozitrono bendrajai energijai.
Taip pat žinome, kad vyksta ir atvirkštinis procesas, tam tikromis sąlygomis, pavyzdžiui, skrisdamas arti atomo branduolio, „iš nieko“ gali sukurti elektroną ir pozitroną. Tokiam kūrimui jo energija turi būti bent lygi energijai, atitinkančiai bendrą elektrono ir pozitrono masę.
Todėl elementariosios dalelės nėra amžinos ar pastovios. Gali atsirasti ir išnykti ir elektronai, ir pozitronai; tačiau energija ir susidarantys elektros krūviai išsaugomi.
Išskyrus elektroną, elementarioji dalelė, mums žinoma daug anksčiau nei bet kuri kita dalelė, nėra pozitronas, kuris yra gana retas, bet protonas- vandenilio atomo branduolys. Kaip ir pozitronas, jis yra teigiamai įkrautas, tačiau jo masė yra maždaug du tūkstančius kartų didesnė už pozitrono ar elektrono masę. Kaip ir šios dalelės, protonas kartais pasižymi banginėmis savybėmis, tačiau tik ypatingomis sąlygomis. Tai, kad jos bangos pobūdis yra mažiau ryškus, iš tikrųjų yra tiesioginė daug didesnės masės pasekmė. Visai medžiagai būdinga banginė prigimtis mums netampa svarbi tol, kol nepradedame dirbti tik su lengvomis dalelėmis, tokiomis kaip elektronai.
Protonas yra labai paplitusi dalelė. Vandenilio atomas susideda iš protono, kuris yra jo branduolys, ir aplink jį skriejančio elektrono. Protonas taip pat yra visų kitų atomų branduolių dalis.
Teoriniai fizikai numatė, kad protonas, kaip ir elektronas, turi antidalelę. Atidarymas neigiamas protonas arba antiprotonas, kuris turi tas pačias savybes kaip ir protonas, bet yra neigiamai įkrautas, patvirtino šią prognozę. Antiprotono susidūrimas su protonu „sunaikina“ juos abu taip pat, kaip ir elektrono ir pozitrono susidūrimo atveju.
Dar viena elementari dalelė neutronas, turi beveik tokią pat masę kaip protonas, bet yra elektriškai neutralus (visiškai nėra elektros krūvio). Jo atradimas mūsų amžiaus trisdešimtajame dešimtmetyje – maždaug tuo pačiu metu, kai buvo atrastas pozitronas – buvo nepaprastai svarbus branduolinei fizikai. Neutronas yra visų atomų branduolių dalis (žinoma, išskyrus įprastą vandenilio atomo branduolį, kuris yra tiesiog laisvas protonas); Kai atomo branduolys žlunga, jis išskiria vieną (ar daugiau) neutronų. Atominė bomba sprogsta dėl neutronų, išsiskiriančių iš urano ar plutonio branduolių.
Kadangi protonai ir neutronai kartu sudaro atomų branduolius, abu vadinami nukleonais. Po kurio laiko laisvasis neutronas virsta protonu ir elektronu.
Esame susipažinę su kita dalele, vadinama antineutronas, kuris, kaip ir neutronas, yra elektriškai neutralus. Jis turi daug neutronui būdingų savybių, tačiau vienas esminių skirtumų yra tas, kad antineutronas skyla į antiprotoną ir elektroną. Susidūrę neutronas ir antineutronas sunaikina vienas kitą,
Fotonas, arba šviesos kvantas, yra nepaprastai įdomi elementarioji dalelė. Norėdami paskaityti knygą, įjungiame lemputę. Taigi, įjungta lemputė generuoja daugybę fotonų, kurie šviesos greičiu veržiasi į knygą, kaip ir į visus kitus kambario kampelius. Kai kurie iš jų, atsitrenkę į sienas, iš karto miršta, kiti vėl ir vėl atsitrenkia į kitų objektų sienas ir atsimuša į juos, tačiau praėjus mažiau nei vienai milijoninei sekundės daliai nuo pasirodymo momento, jie visi miršta, išskyrus tik keletas, kuriems pavyksta ištrūkti pro langą ir išslysti į kosmosą. Energiją, reikalingą fotonams generuoti, tiekia elektronai, tekantys pro lemputę, kai ji įjungta; miršta, fotonai atiduoda šią energiją knygai ar kitam objektui, kaitindami ją arba akis, sukeldami regos nervų stimuliaciją.
Fotono energija, taigi ir masė, nesikeičia: yra ir labai lengvų fotonų, ir labai sunkiųjų. Įprastą šviesą skleidžiantys fotonai yra labai lengvi, jų masė yra tik kelios milijoninės elektrono masės. Kiti fotonai turi maždaug tokią pat masę kaip elektrono ir net daug didesnę. Sunkiųjų fotonų pavyzdžiai yra rentgeno spinduliai ir gama spinduliai.
Čia yra bendra taisyklė: kuo elementarioji dalelė šviesesnė, tuo išraiškingesnė jos banginė prigimtis. Sunkiausios elementarios dalelės – protonai – pasižymi santykinai silpnomis bangomis; jie yra šiek tiek stipresni elektronams; stipriausi yra fotonai. Tiesą sakant, šviesos bangos prigimtis buvo atrasta daug anksčiau nei jos korpuskulinės charakteristikos. Mes žinojome, kad šviesa yra ne kas kita, kaip elektromagnetinių bangų judėjimas, nes Maxwellas tai demonstravo antroje praėjusio amžiaus pusėje, tačiau XX amžiaus pradžioje Planckas ir Einšteinas atrado, kad šviesa turi ir korpuskulinių savybių. , kad kartais jis išspinduliuojamas atskirų „kvantų“ pavidalu arba, kitaip tariant, fotonų srauto pavidalu. Negalima paneigti, kad mūsų mintyse sunku sujungti ir sujungti šias dvi akivaizdžiai nepanašias šviesos prigimties sampratas; bet galime pasakyti, kad, kaip ir elektrono „dviguba prigimtis“, mūsų samprata apie tokį sunkiai suvokiamą reiškinį kaip šviesa turi būti labai abstrakti. Ir tik tada, kai norime išreikšti savo idėją grubiais vaizdais, kartais turime lyginti šviesą su dalelių, fotonų srautu ar elektromagnetinio pobūdžio bangų judėjimu.
Yra ryšys tarp reiškinio korpuskulinės prigimties ir jo „banginių“ savybių. Kuo dalelė sunkesnė, tuo trumpesnis jos atitinkamas bangos ilgis; kuo ilgesnis bangos ilgis, tuo atitinkama dalelė šviesesnė. Rentgeno spinduliai, susidedantys iš labai sunkių fotonų, turi atitinkamai labai trumpą bangos ilgį. Raudona šviesa, kurios bangos ilgis yra ilgesnis nei mėlyna šviesa, yra sudaryta iš fotonų, kurie yra lengvesni už fotonus, nešančius mėlyną šviesą. Ilgiausios egzistuojančios elektromagnetinės bangos, radijo bangos, yra sudarytos iš mažyčių fotonų. Šios bangos neturi nė menkiausio dalelių savybių.
Ir galiausiai, mažiausia iš visų mažų elementariųjų dalelių yra neutrino. Jis neturi elektros krūvio, o jei turi kokią nors masę, tai artimas nuliui. Su šiek tiek perdėta, galime pasakyti, kad neutrinas tiesiog neturi savybių.
Mūsų žinios apie elementariąsias daleles yra šiuolaikinė fizikos riba. Atomas buvo atrastas XIX amžiuje, o to meto mokslininkai atrado vis daugiau įvairių atomų rūšių; panašiai šiandien randame vis daugiau elementariųjų dalelių. Ir nors buvo įrodyta, kad atomai susideda iš elementariųjų dalelių, negalime tikėtis, kad pagal analogiją bus nustatyta, kad elementariosios dalelės susideda iš dar mažesnių dalelių. Problema, su kuria susiduriame šiandien, yra labai skirtinga, ir nėra nė menkiausio ženklo, kad sugebėsime skaidyti elementarias daleles. Atvirkščiai, tikimasi, kad visos elementarios dalelės bus dar labiau pamatinio reiškinio apraiškos. Ir jei būtų įmanoma tai nustatyti, galėtume suprasti visas elementariųjų dalelių savybes; galėtų apskaičiuoti jų mases ir sąveikos būdus. Daug kartų buvo bandoma išspręsti šią problemą, kuri yra viena iš svarbiausių fizikos problemų.
Nėra aiškaus sąvokos „elementarioji dalelė“ apibrėžimo; paprastai nurodomas tik tam tikras fizinių dydžių verčių rinkinys, apibūdinantis šias daleles ir kai kurias labai svarbias išskirtines jų savybes. Elementariosios dalelės turi:
1) elektros krūvis
2) vidinis kampinis momentas arba sukimasis
3) magnetinis momentas
4) nuosava masė – „ramybės masė“
Ateityje gali būti atrasti ir kiti daleles charakterizuojantys dydžiai, todėl šis pagrindinių elementariųjų dalelių savybių sąrašas neturėtų būti laikomas išsamiu.
Tačiau ne visos elementarios dalelės (jų sąrašas pateiktas žemiau) turi visą aukščiau išvardytų savybių rinkinį. Kai kurios iš jų turi tik elektrinį krūvį ir masę, bet neturi sukimosi (įkrauti pionai ir kaonai). kitos dalelės turi masę, sukimąsi ir magnetinį momentą, bet neturi elektros krūvio (neutronas, lambda hiperonas); dar kiti turi tik masę (neutralūs pionai ir kaonai) arba tik sukimąsi (fotonai, neutrinai). Elementariosios dalelės privalo turėti bent vieną iš aukščiau išvardytų savybių. Atkreipkite dėmesį, kad svarbiausios medžiagos dalelės – bėgimai ir elektronai – pasižymi visu šių savybių rinkiniu. Reikia pabrėžti: elektros krūvis ir sukimasis yra pagrindinės medžiagos dalelių savybės, ty jų skaitinės reikšmės išlieka pastovios bet kokiomis sąlygomis.
DALELĖS IR ANTIKALELĖS
Kiekviena elementari dalelė turi savo priešingybę – „antidalelę“. Dalelės ir antidalelės masė, sukimasis ir magnetinis momentas yra vienodi, tačiau jei dalelė turi elektros krūvį, tai jos antidalelė turi priešingo ženklo krūvį. Protono, pozitrono ir antineutrono magnetiniai momentai ir sukimai yra vienodi, o elektrono, neutrono ir antiprotono orientacijos yra priešingos.
Dalelės sąveika su savo antidalele žymiai skiriasi nuo sąveikos su kitomis dalelėmis. Šis skirtumas išreiškiamas tuo, kad dalelė ir jos antidalelė gali anihiliuotis, tai yra procesas, dėl kurio išnyksta, o jų vietoje atsiranda kitos dalelės. Taigi, pavyzdžiui, dėl elektrono ir pozitrono anihiliacijos atsiranda fotonai, protonai ir antiprotonai-pionai ir kt.
GYVENIMAS
Stabilumas nėra privaloma elementariųjų dalelių savybė. Stabilūs yra tik elektronai, protonai, neutrinai ir jų antidalelės, taip pat fotonai. Likusios dalelės paverčiamos stabiliomis arba tiesiogiai, kaip atsitinka, pavyzdžiui, su neutronu, arba per nuoseklių transformacijų grandinę; pavyzdžiui, nestabilus neigiamas pionas pirmiausia virsta miuonu ir neutrinu, o paskui miuonas virsta elektronu ir kitu neutrinu:
Simboliai žymi „miuoninius“ neutrinus ir antineutrinus, kurie skiriasi nuo „elektroninių“ neutrinų ir antineutrinų.
Dalelių nestabilumas vertinamas pagal jų egzistavimo trukmę nuo „gimimo“ iki skilimo momento; abu šie laiko momentai yra pažymėti dalelių pėdsakais matavimo įrenginiuose. Jei yra daug tam tikro „tipo“ dalelių stebėjimų, apskaičiuojama „vidutinė skilimo trukmė“ arba skilimo pusinės eliminacijos laikas. Tarkime, kad tam tikru momentu yra vienodas dalelių skaičius ir tuo momentu šis skaičius tampa lygus darant prielaidą, kad dalelių skilimas paklūsta tikimybiniam dėsniui
galite apskaičiuoti vidutinį gyvavimo laiką (per kurį dalelių skaičius sumažėja koeficientu) ir pusinės eliminacijos laiką
(per kurią šis skaičius sumažėja perpus).
Įdomu pastebėti, kad:
1) visos neįkrautos dalelės, išskyrus neutrinus ir fotonus, yra nestabilios (neutrinai ir fotonai iš kitų elementariųjų dalelių išsiskiria tuo, kad neturi savo ramybės masės);
2) iš įkrautų dalelių tik elektronas ir protonas (ir jų antidalelės) yra stabilūs.
Čia pateikiamas svarbiausių dalelių sąrašas (šiuo metu jų skaičius nuolat didėja), nurodant pavadinimus ir pagrindines
savybės; elektros krūvis dažniausiai nurodomas elementariais vienetais masė – elektronų masės vienetais sukinys – vienetais
(žr. nuskaitymą)
DALELĖS KLASIFIKACIJA
Elementariųjų dalelių tyrimas parodė, kad nepakanka jas sugrupuoti pagal pagrindinių savybių (krūvio, masės, sukimosi) vertes. Paaiškėjo, kad šias daleles reikia suskirstyti į žymiai skirtingas „šeimas“:
1) fotonai, 2) leptonai, 3) mezonai, 4) barionai
ir pristatyti naujas dalelių charakteristikas, kurios parodytų, kad tam tikra dalelė priklauso vienai iš šių šeimų. Šios charakteristikos sutartinai vadinamos „mokesčiais“ arba „skaičiais“. Yra trijų tipų mokesčiai:
1) leptono-elektrono krūvis;
2) lepton-miuono krūvis
3) bariono krūvis
Šiems krūviams suteikiamos skaitinės reikšmės: ir -1 (dalelės turi pliuso ženklą, antidalelės – minuso ženklą; fotonai ir mezonai – nulinio krūvio).
Elementariosios dalelės paklūsta šioms dviem taisyklėms:
kiekviena elementarioji dalelė priklauso tik vienai šeimai ir jai būdingas tik vienas iš minėtų krūvių (skaičių).
Pavyzdžiui:
Tačiau vienoje elementariųjų dalelių šeimoje gali būti daug skirtingų dalelių; Pavyzdžiui, barionų grupė apima protoną, neutroną ir daugybę hiperonų. Pateiksime elementariųjų dalelių skirstymą į šeimas:
„elektroniniai“ leptonai: tai elektroninis pozitroninis elektroninis neutrinas ir elektroninis antineutrinas
„Muoniniai“ leptonai: tai miuonai su neigiamu ir teigiamu elektriniu krūviu ir miuonų neutrinai bei antineutrinai Tai apima protoną, neutroną, hiperonus ir visas jų antidaleles.
Elektros krūvio buvimas ar nebuvimas nesusijęs su priklausymu nė vienai iš išvardytų šeimų. Pastebima, kad visos dalelės, kurių sukinys yra lygus 1/2, būtinai turi vieną iš aukščiau nurodytų krūvių. Fotonai (kurių sukinys lygus vienybei), mezonai – pionai ir kaonai (kurių sukinys lygus nuliui) neturi nei leptoninių, nei barioninių krūvių.
Visuose fizikiniuose reiškiniuose, kuriuose dalyvauja elementarios dalelės – skilimo procesuose; gimimas, susinaikinimas ir abipusiai virsmai, laikomasi antrosios taisyklės:
Algebrinės skaičių sumos kiekvienam krūvio tipui atskirai visada yra pastovios.
Ši taisyklė atitinka tris gamtosaugos įstatymus:
Šie dėsniai taip pat reiškia, kad skirtingoms šeimoms priklausančių dalelių tarpusavio transformacijos yra draudžiamos.
Kai kurioms dalelėms - kaonams ir hiperonams - pasirodė būtina papildomai įvesti dar vieną požymį, vadinamą keistumu ir žymimą Kaons turi lambda ir sigma hiperonus - xi-hiperonus - (viršutinis ženklas dalelėms, apatinis ženklas antidalelėms). Procesuose, kuriuose stebimas keistumo dalelių atsiradimas (gimimas), laikomasi šios taisyklės:
Keistumo išsaugojimo dėsnis. Tai reiškia, kad pasirodžius vienai keistai dalelei būtinai turi atsirasti viena ar daugiau keistų antidalelių, kad algebrinė skaičių suma prieš ir po
gimimo procesas išliko pastovus. Taip pat pažymima, kad keistųjų dalelių irimo metu nepaisomas keistumo išsaugojimo dėsnis, t.y. šis dėsnis veikia tik keistų dalelių gimimo procesuose. Taigi keistoms dalelėms kūrimo ir irimo procesai yra negrįžtami. Pavyzdžiui, lambda hiperonas (keistumas lygus skilimui į protoną ir neigiamą pioną:
Šioje reakcijoje keistumo išsaugojimo dėsnio nesilaikoma, nes po reakcijos gauto protono ir piono keistumas lygus nuliui. Tačiau atvirkštinėje reakcijoje, kai neigiamas pionas susiduria su protonu, neatsiranda vienas lambda hiperonas; reakcija vyksta, kai susidaro dvi dalelės, turinčios priešingų ženklų keistenybes:
Vadinasi, lambda hiperono kūrimo reakcijoje laikomasi keistumo išsaugojimo dėsnio: prieš ir po reakcijos „keistųjų“ skaičių algebrinė suma lygi nuliui. Žinoma tik viena skilimo reakcija, kurios metu stebima keistų skaičių sumos pastovumas – tai neutralaus sigmos hiperono skilimas į lambda hiperoną ir fotoną:
Kitas keistų dalelių bruožas – ryškus skirtumas tarp gimimo procesų trukmės (eilinio ) ir vidutinio jų egzistavimo laiko (apie ); kitoms (ne keistoms) dalelėms šie laikai yra tos pačios eilės.
Atkreipkite dėmesį, kad būtinybė įvesti leptonų ir barionų skaičius arba krūvius ir aukščiau išvardintų išsaugojimo dėsnių egzistavimas verčia daryti prielaidą, kad šie krūviai išreiškia kokybinį skirtumą tarp skirtingų tipų dalelių, taip pat tarp dalelių ir antidalelių. Tai, kad dalelėms ir antidalelėms turi būti priskirti priešingų ženklų krūviai, rodo, kad jų tarpusavio transformacijos neįmanoma.
Tolesnis skverbimasis į mikropasaulio gelmes yra susijęs su perėjimu iš atomų lygio į elementariųjų dalelių lygį. Kaip pirmoji elementarioji dalelė XIX amžiaus pabaigoje. buvo atrastas elektronas, o paskui pirmaisiais XX amžiaus dešimtmečiais. – fotonas, protonas, pozitronas ir neutronas.
Po Antrojo pasaulinio karo, panaudojus šiuolaikines eksperimentines technologijas, o visų pirma galingus greitintuvus, kuriuose sukuriamos didelės energijos ir milžiniško greičio sąlygos, buvo nustatytas didelis elementariųjų dalelių skaičius – per 300. Tarp jų yra ir eksperimentiškai atrastų, ir teoriškai apskaičiuotų, įskaitant rezonansus, kvarkus ir virtualias daleles.
Terminas elementarioji dalelė iš pradžių reiškė paprasčiausias, toliau neskaidomas daleles, kurios yra bet kokių medžiagų darinių pagrindas. Vėliau fizikai suprato visą termino „elementarus“ susitarimą, susijusį su mikroobjektais. Dabar neabejotina, kad dalelės turi vienokią ar kitokią struktūrą, tačiau, nepaisant to, istoriškai nusistovėjęs pavadinimas ir toliau egzistuoja.
Pagrindinės elementariųjų dalelių charakteristikos yra masė, krūvis, vidutinė gyvavimo trukmė, sukimasis ir kvantiniai skaičiai.
Poilsio masė elementarios dalelės nustatomos ramybės elektrono masės atžvilgiu. Yra elementariųjų dalelių, kurios neturi ramybės masės. fotonai. Likusios dalelės pagal šį kriterijų skirstomos į leptonai– šviesos dalelės (elektronai ir neutrinai); mezonai– vidutinės dalelės, kurių masė svyruoja nuo vieno iki tūkstančio elektronų masių; barionai– sunkiosios dalelės, kurių masė viršija tūkstantį elektronų masių ir kurios apima protonus, neutronus, hiperonus ir daugybę rezonansų.
Elektros krūvis yra dar viena svarbi elementariųjų dalelių savybė. Visos žinomos dalelės turi teigiamą, neigiamą arba nulinį krūvį. Kiekviena dalelė, išskyrus fotoną ir du mezonus, atitinka priešingų krūvių antidaleles. Maždaug 1963–1964 m buvo iškelta hipotezė apie egzistavimą kvarkai– dalelės, turinčios dalinį elektros krūvį. Ši hipotezė dar nepatvirtinta eksperimentiškai.
Pagal gyvenimą dalelės skirstomos į stabilus Ir nestabilus . Yra penkios stabilios dalelės: fotonas, dviejų tipų neutrinai, elektronas ir protonas. Būtent stabilios dalelės vaidina svarbiausią vaidmenį makrokūnų struktūroje. Visos kitos dalelės yra nestabilios, jos egzistuoja apie 10 -10 -10 -24 s, po to suyra. Elementariosios dalelės, kurių vidutinė gyvavimo trukmė yra 10–23–10–22 s, vadinamos rezonansus. Dėl trumpo gyvenimo trukmės jie suyra net nepalikdami atomo ar atomo branduolio. Rezonansinės būsenos buvo apskaičiuotos teoriškai, atliekant tikrus eksperimentus.
Be krūvio, masės ir gyvenimo trukmės, elementariosios dalelės taip pat apibūdinamos sąvokomis, kurios neturi analogų klasikinėje fizikoje: sąvoka atgal . Sukas yra dalelės vidinis kampinis impulsas, nesusijęs su jos judėjimu. Nugara pasižymi sukimosi kvantinis skaičius s, kuri gali turėti sveikojo skaičiaus (±1) arba pusės sveikojo skaičiaus (±1/2) reikšmes. Dalelės su sveikuoju sukimu – bozonai, su pusiau sveikuoju skaičiumi – fermionai. Elektronai priskiriami fermionams. Pagal Pauli principą atomas negali turėti daugiau nei vieno elektrono su tuo pačiu kvantinių skaičių rinkiniu n,m,l,s. Elektronai, atitinkantys bangines funkcijas, turinčias tą patį skaičių n, yra labai artimos energijai ir sudaro atomo elektronų apvalkalą. Skaičiaus l skirtumai lemia „subapvalką“, likę kvantiniai skaičiai – jo užpildymą, kaip minėta aukščiau.
Elementariųjų dalelių charakteristikose yra dar viena svarbi idėja sąveikos. Kaip minėta anksčiau, žinomi keturi elementariųjų dalelių sąveikos tipai: gravitacinis,silpnas,elektromagnetinis Ir stiprus(branduolinis).
Visos dalelės, turinčios ramybės masę ( m 0), dalyvauja gravitacinėje sąveikoje; Leptonai taip pat dalyvauja silpnoje sąveikoje. Hadronai dalyvauja visose keturiose pagrindinėse sąveikose.
Remiantis kvantinio lauko teorija, visos sąveikos vyksta dėl mainų virtualios dalelės , tai yra dalelės, kurių egzistavimą galima spręsti tik netiesiogiai, pagal kai kuriuos jų pasireiškimus per tam tikrus antrinius efektus ( tikrosios dalelės galima tiesiogiai įrašyti naudojant instrumentus).
Pasirodo, visos keturios žinomos sąveikos rūšys – gravitacinė, elektromagnetinė, stiprioji ir silpnoji – turi matuoklio pobūdį ir apibūdinamos matuoklio simetrija. Tai yra, visos sąveikos yra tarsi padarytos „iš to paties tuščio“. Tai suteikia vilties, kad bus galima rasti „vienintelį raktą į visus žinomus užraktus“ ir aprašyti Visatos evoliuciją iš būsenos, vaizduojamos vienu supersimetriniu superlauku, iš būsenos, kurioje sąveikos tipų skirtumai, tarp visų rūšių materijos dalelių ir lauko kvantų dar neatsirado.
Egzistuoja daugybė elementariųjų dalelių klasifikavimo būdų. Pavyzdžiui, dalelės skirstomos į fermionus (Fermi daleles) – medžiagos daleles ir bozonus (Bose particles) – lauko kvantus.
Pagal kitą požiūrį dalelės skirstomos į 4 klases: fotonus, leptonus, mezonus, barionus.
Fotonai (elektromagnetinio lauko kvantai) dalyvauja elektromagnetinėse sąveikose, tačiau neturi stiprios, silpnosios ar gravitacinės sąveikos.
Leptonai savo vardą gavo iš graikiško žodžio leptos-lengva. Tai dalelės, kurios neturi stiprios sąveikos: miuonai (μ – , μ +), elektronai (е – , у +), elektronų neutrinai (v e – ,v e +) ir miuonų neutrinai (v – m, v + m). Visų leptonų sukimasis yra ½, todėl jie yra fermionai. Visi leptonai turi silpną sąveiką. Tie, kurie turi elektros krūvį (ty miuonai ir elektronai), taip pat turi elektromagnetinę jėgą.
Mezonai – stipriai sąveikaujančios nestabilios dalelės, neturinčios vadinamojo bariono krūvio. Tarp jų yra R-mezonai arba pionai (π +, π –, π 0), KAM-mezonai, arba kaonai (K +, K –, K 0), ir tai-mezonai (η) . Svoris KAM-mesons yra ~970me (494 MeV įkrautam ir 498 MeV neutraliam KAM-mezonai). Gyvenimas KAM-mezonų dydis yra 10–8 s. Jie suyra ir susidaro aš-mezonai ir leptonai arba tik leptonai. Svoris tai-mezonai yra 549 MeV (1074 me), tarnavimo laikas yra apie 10–19 s. Tai-mezonai skyla, sudarydami π-mezonus ir γ-fotonus. Skirtingai nuo leptonų, mezonai turi ne tik silpną (o jei jie yra įkrauti – elektromagnetinę) sąveiką, bet ir stiprią sąveiką, kuri pasireiškia jiems sąveikaujant tarpusavyje, taip pat mezonų ir barionų sąveikos metu. Visi mezonai turi nulinį sukimąsi, todėl jie yra bozonai.
Klasė barionai jungia nukleonus (p,n) ir nestabilias daleles, kurių masė didesnė už nukleonų masę, vadinamas hiperonais. Visi barionai turi stiprią sąveiką, todėl aktyviai sąveikauja su atominiais branduoliais. Visų barionų sukimasis yra ½, todėl barionai yra fermionai. Visi barionai, išskyrus protoną, yra nestabilūs. Barionams irstant kartu su kitomis dalelėmis būtinai susidaro barionas. Šis modelis yra viena iš apraiškų bariono krūvio išsaugojimo įstatymas.
Be aukščiau išvardintų dalelių, buvo aptikta daug stipriai sąveikaujančių trumpaamžių dalelių, kurios vadinamos rezonansus . Šios dalelės yra rezonansinės būsenos, sudarytos iš dviejų ar daugiau elementariųjų dalelių. Rezonanso tarnavimo laikas yra tik ~ 10 –23 –10 –22 s.
Elementariąsias daleles, taip pat sudėtingas mikrodaleles, galima pastebėti dėl pėdsakų, kuriuos jos palieka eidamos per medžiagą. Pėdsakų pobūdis leidžia spręsti apie dalelės krūvio ženklą, jos energiją, impulsą ir kt. Įkrautos dalelės sukelia molekulių jonizaciją savo kelyje. Neutralios dalelės nepalieka pėdsakų, tačiau gali atsiskleisti skilimo į įkrautas daleles momentu arba susidūrimo su bet kuriuo branduoliu momentu. Todėl neutralios dalelės galiausiai taip pat aptinkamos pagal jonizaciją, kurią sukelia jų generuojamos įkrautos dalelės.
Dalelės ir antidalelės. 1928 metais anglų fizikui P. Dirakui pavyko rasti reliatyvistinę kvantinę mechaninę elektrono lygtį, iš kurios išplaukia daugybė nuostabių pasekmių. Visų pirma, iš šios lygties natūraliu būdu, be jokių papildomų prielaidų, gaunamas paties elektrono magnetinio momento sukinys ir skaitinė vertė. Taigi paaiškėjo, kad sukinys yra ir kvantinis, ir reliatyvus dydis. Tačiau tai neišsemia Dirako lygties reikšmės. Tai taip pat leido numatyti elektrono antidalelės egzistavimą - pozitronas. Iš Dirako lygties gaunamos ne tik teigiamos, bet ir neigiamos bendros laisvojo elektrono energijos vertės. Lygties tyrimai rodo, kad tam tikram dalelės impulsui yra lygties sprendiniai, atitinkantys energijas: .
Tarp didžiausios neigiamos energijos (– m e Su 2) ir mažiausiai teigiamos energijos (+ m e c 2) yra energijos verčių intervalas, kurio negalima realizuoti. Šio intervalo plotis yra 2 m e Su 2. Vadinasi, gaunamos dvi energijos savųjų verčių sritys: viena prasideda + m e Su 2 ir tęsiasi iki +∞, kitas prasideda nuo – m e Su 2 ir tęsiasi iki –∞.
Neigiamos energijos dalelė turi turėti labai keistų savybių. Pereinant į būsenas su vis mažiau energijos (ty kai neigiama energija didėja), ji galėtų išleisti energiją, tarkime, spinduliuotės pavidalu, ir, kadangi | E| nevaržoma, neigiamą energiją turinti dalelė galėtų išskirti be galo daug energijos. Panašią išvadą galima padaryti tokiu būdu: iš santykio E=m e Su 2 iš to išplaukia, kad neigiamos energijos dalelė taip pat turės neigiamą masę. Veikiant stabdymo jėgai, neigiamos masės dalelė turėtų ne sulėtėti, o įsibėgėti, atlikdama be galo daug darbo stabdymo jėgos šaltiniui. Atsižvelgiant į šiuos sunkumus, atrodytų, kad reikėtų pripažinti, kad neigiamos energijos būsena neturėtų būti vertinama kaip vedanti į absurdiškus rezultatus. Tačiau tai prieštarautų kai kuriems bendriesiems kvantinės mechanikos principams. Todėl Dirakas pasirinko kitą kelią. Jis pasiūlė, kad elektronų perėjimai į būsenas su neigiama energija paprastai nepastebimi dėl to, kad visi turimi neigiamos energijos lygiai jau yra užimti elektronų. 
Anot Dirako, vakuumas yra būsena, kai visi neigiamos energijos lygiai yra užimti elektronų, o lygiai su teigiama energija yra laisvi. Kadangi visi lygiai, esantys žemiau uždraustos juostos, yra užimti be išimties, elektronai šiuose lygiuose niekaip neatsiskleidžia. Jei vienam iš elektronų, esančių neigiamuose lygiuose, suteikiama energija E≥ 2m e Su 2, tada šis elektronas pereis į teigiamos energijos būseną ir elgsis įprastu būdu, kaip dalelė, turinti teigiamą masę ir neigiamą krūvį. Ši pirmoji teoriškai prognozuojama dalelė buvo vadinama pozitronu. Kai pozitronas susitinka su elektronu, jie anihiliuojasi (dingsta) – elektronas iš teigiamo lygio pereina į laisvą neigiamą. Šių lygių skirtumą atitinkanti energija išsiskiria spinduliuotės pavidalu. Fig. 4, rodyklė 1 vaizduoja elektronų ir pozitronų poros kūrimo procesą, o rodyklė 2 – jų sunaikinimą. Termino „naikinimas“ nereikia suprasti pažodžiui. Iš esmės įvyksta ne išnykimas, o kai kurių dalelių (elektronų ir pozitronų) pavertimas kitomis (γ-fotonais).
Yra dalelių, kurios yra identiškos jų antidalelėms (tai yra, jos neturi antidalelių). Tokios dalelės vadinamos absoliučiai neutraliomis. Tai apima fotoną, π 0 mezoną ir η mezoną. Dalelės, identiškos jų antidalelėms, nėra pajėgios anihiliuoti. Tačiau tai nereiškia, kad jie apskritai negali virsti kitomis dalelėmis.
Jei barionams (ty nukleonams ir hiperonams) priskiriamas bariono krūvis (arba bariono skaičius) IN= +1, antibarionai – bariono krūvis IN= –1, o visos kitos dalelės turi bariono krūvį IN= 0, tada visi procesai, vykstantys dalyvaujant barionams ir antibarionams, pasižymės krūvio barionų išsaugojimu, kaip procesai pasižymi elektros krūvio išsaugojimu. Bariono krūvio tvermės dėsnis lemia minkščiausio bariono – protono – stabilumą. Visų dydžių, apibūdinančių fizinę sistemą, transformacija, kai visos dalelės pakeičiamos antidalelėmis (pavyzdžiui, elektronai su protonais, o protonai su elektronais ir kt.), vadinama konjugacijos krūviu.
Keistos dalelės.KAM-mezonai ir hiperonai buvo aptikti kaip kosminių spindulių dalis XX amžiaus 50-ųjų pradžioje. Nuo 1953 m. jie gaminami greitintuvuose. Šių dalelių elgesys pasirodė toks neįprastas, kad jos buvo pavadintos keistomis. Neįprastas keistų dalelių elgesys buvo tas, kad jos aiškiai gimė dėl stiprios sąveikos, kurių būdingas laikas yra 10–23 s, o jų gyvenimo trukmė buvo 10–8–10–10 s. Pastaroji aplinkybė parodė, kad dalelių skilimas vyksta dėl silpnos sąveikos. Buvo visiškai neaišku, kodėl keistos dalelės taip ilgai gyvavo. Kadangi tos pačios dalelės (π-mezonai ir protonai) dalyvauja tiek kuriant, tiek irnt λ-hiperonui, buvo stebėtina, kad abiejų procesų greitis (ty tikimybė) buvo toks skirtingas. Tolesni tyrimai parodė, kad keistos dalelės gimsta poromis. Tai paskatino idėją, kad stipri sąveika negali turėti įtakos dalelių skilimui dėl to, kad joms pasireikšti būtina dviejų keistų dalelių buvimas. Dėl tos pačios priežasties vienas keistų dalelių kūrimas pasirodo neįmanomas.
Norėdami paaiškinti draudimą gaminti vieną keistų dalelių, M. Gell-Mann ir K. Nishijima pristatė naują kvantinį skaičių, kurio bendra vertė, jų prielaida, turėtų būti išsaugota esant stipriai sąveikai. Tai yra kvantinis skaičius S buvo pavadintas dalelės keistumas. Silpnoje sąveikoje keistumas gali neišsaugoti. Todėl jis priskiriamas tik stipriai sąveikaujančioms dalelėms – mezonams ir barionams.
Neutrinas. Neutrinas yra vienintelė dalelė, kuri nedalyvauja nei stiprioje, nei elektromagnetinėje sąveikoje. Išskyrus gravitacinę sąveiką, kurioje dalyvauja visos dalelės, neutrinai gali dalyvauti tik silpnoje sąveikoje.
Ilgą laiką liko neaišku, kuo neutrinas skiriasi nuo antineutrino. Kombinuoto pariteto išsaugojimo dėsnio atradimas leido atsakyti į šį klausimą: jie skiriasi sraigtu. Pagal sraigtiškumas suprantamas tam tikras ryšys tarp impulso krypčių R ir atgal S dalelės. Sraigtiškumas laikomas teigiamu, jei sukimasis ir impulsas yra ta pačia kryptimi. Šiuo atveju dalelių judėjimo kryptis ( R) ir sukimosi kryptis, atitinkanti sukimąsi, sudaro dešinįjį varžtą. Kai sukimasis ir impulsas nukreipti priešingai, sraigtas bus neigiamas (transliacinis judėjimas ir „sukimas“ sudaro kairiarankį varžtą). Pagal Yang, Lee, Landau ir Salam sukurtą išilginių neutrinų teoriją, visi gamtoje esantys neutrinai, nepaisant jų kilmės būdo, visada yra visiškai išilgai poliarizuoti (tai yra, jų sukimasis nukreiptas lygiagrečiai arba antiparaleliškai impulsui). R). Neutrino turi neigiamas(kairėje) sraigtas (atitinka krypčių santykį). S Ir R, parodyta pav. 5 (b), antineutrino – teigiamas (dešiniarankis) sraigtas (a). Taigi sraigtas yra tai, kas išskiria neutrinus nuo antineutrinų.
Ryžiai. 5. Elementariųjų dalelių sraigtiškumo schema
Elementariųjų dalelių sistematika. Elementariųjų dalelių pasaulyje stebimus modelius galima suformuluoti išsaugojimo dėsnių forma. Tokių įstatymų jau susikaupė nemažai. Kai kurie iš jų pasirodo ne tikslūs, o tik apytiksliai. Kiekvienas išsaugojimo dėsnis išreiškia tam tikrą sistemos simetriją. Impulso išsaugojimo dėsniai R, kampinis pagreitis L ir energija E atspindi erdvės ir laiko simetrijos savybes: išsaugojimą E yra laiko vienalytiškumo, išsaugojimo pasekmė R dėl erdvės homogeniškumo ir išsaugojimo L– jo izotropija. Pariteto išsaugojimo dėsnis yra susijęs su simetrija tarp dešinės ir kairės ( R-nekintamumas). Simetrija, susijusi su krūvio konjugacija (dalelių ir antidalelių simetrija), lemia krūvio pariteto išsaugojimą ( SU-nekintamumas). Elektrinių, barionų ir leptonų krūvių tvermės dėsniai išreiškia ypatingą simetriją SU-funkcijomis. Galiausiai, izotopinio sukimosi išsaugojimo dėsnis atspindi izotopinės erdvės izotropiją. Vieno iš išsaugojimo įstatymų nesilaikymas reiškia atitinkamo tipo simetrijos pažeidimą šioje sąveikoje.
Elementariųjų dalelių pasaulyje galioja taisyklė: leidžiama viskas, ko nedraudžia gamtosaugos įstatymai. Pastarieji atlieka atskirties taisyklių, reglamentuojančių dalelių tarpusavio konversiją, vaidmenį. Pirmiausia atkreipkime dėmesį į energijos, impulso ir elektros krūvio tvermės dėsnius. Šie trys dėsniai paaiškina elektrono stabilumą. Iš energijos ir impulso išsaugojimo išplaukia, kad bendra skilimo produktų ramybės masė turi būti mažesnė už likusią irstančios dalelės masę. Tai reiškia, kad elektronas gali suskaidyti tik į neutrinus ir fotonus. Tačiau šios dalelės yra elektriškai neutralios. Taip išeina, kad elektronas tiesiog neturi kam perduoti savo elektros krūvio, todėl yra stabilus.
Kvarkai. Dalelių, vadinamų elementariomis, tapo tiek daug, kad kilo rimtų abejonių dėl jų elementarios prigimties. Kiekvienai stipriai sąveikaujančiai dalelei būdingi trys nepriklausomi priediniai kvantiniai skaičiai: krūvis K, perkrovimas U ir bariono krūvis IN. Šiuo atžvilgiu kilo hipotezė, kad visos dalelės yra sudarytos iš trijų pagrindinių dalelių - šių krūvių nešėjų. 1964 m. Gell-Mann ir, nepriklausomai nuo jo, šveicarų fizikas Zweigas iškėlė hipotezę, pagal kurią visos elementarios dalelės yra sudarytos iš trijų dalelių, vadinamų kvarkais. Šioms dalelėms priskiriami trupmeniniai kvantiniai skaičiai, visų pirma, elektros krūvis lygus +⅔; –⅓; +⅓ atitinkamai kiekvienam iš trijų kvarkų. Šie kvarkai paprastai žymimi raidėmis U,D,S. Be kvarkų, laikomi antikvarkai ( u,d,s). Iki šiol žinoma 12 kvarkų – 6 kvarkai ir 6 antikvarkai. Mezonai susidaro iš kvarkų-antikvarkų poros, o barionai – iš trijų kvarkų. Pavyzdžiui, protonas ir neutronas susideda iš trijų kvarkų, todėl protonas arba neutronas tampa bespalvis. Atitinkamai išskiriami trys stiprios sąveikos krūviai - raudona ( R), geltona ( Y) ir žalia ( G).
Kiekvienam kvarkui priskiriamas tas pats magnetinis momentas (µV), kurio reikšmė nėra nustatyta iš teorijos. Skaičiavimai, atlikti remiantis šia prielaida, suteikia protono magnetinio momento μ p reikšmę = μ kv, o neutronui μ n = – ⅔μ kv.
Taigi magnetinių momentų santykiui gaunama reikšmė μ p / μn = –⅔, puikiai sutampa su eksperimentine verte.
Iš esmės kvarko spalva (kaip ir elektros krūvio ženklas) pradėjo reikšti skirtumą toje savybėje, kuri lemia abipusį kvarkų trauką ir atstūmimą. Analogiškai su įvairių sąveikų laukų kvantais (fotonai elektromagnetinėje sąveikoje, R-mezonai stiprioje sąveikoje ir kt.) buvo įvestos kvarkų sąveiką vykdančios dalelės. Šios dalelės buvo vadinamos gliuonai. Jie perkelia spalvą iš vieno kvarko į kitą, todėl kvarkai laikosi kartu. Kvarkų fizikoje buvo suformuluota uždarumo hipotezė (iš anglų k. įkalinimo– gaudymas) kvarkų, pagal kuriuos neįmanoma atimti kvarko iš visumos. Ji gali egzistuoti tik kaip visumos elementas. Kvarkų, kaip tikrų dalelių, egzistavimas fizikoje yra patikimai pagrįstas.
Kvarkų idėja pasirodė labai vaisinga. Tai leido ne tik susisteminti jau žinomas daleles, bet ir numatyti visą eilę naujų. Situacija, susidariusi elementariųjų dalelių fizikoje, primena situaciją, susidariusią atomų fizikoje po periodinio dėsnio atradimo 1869 metais D. I. Mendelevo. Nors šio dėsnio esmė buvo išaiškinta tik praėjus maždaug 60 metų nuo kvantinės mechanikos sukūrimo, jis leido susisteminti iki tol žinomus cheminius elementus ir, be to, leido numatyti naujų elementų egzistavimą ir jų savybes. . Lygiai taip pat fizikai išmoko sisteminti elementarias daleles, o sukurta taksonomija retais atvejais leido numatyti naujų dalelių egzistavimą ir numatyti jų savybes.
Taigi šiuo metu kvarkus ir leptonus galima laikyti tikrai elementariais; jų yra 12, arba kartu su anti-chatitais - 24. Be to, yra dalelių, kurios užtikrina keturias pagrindines sąveikas (sąveikos kvantus). Yra 13 šių dalelių: gravitonas, fotonas, W± - ir Z-dalelės ir 8 gliuonai.
Egzistuojančios elementariųjų dalelių teorijos negali nurodyti, kas yra serijos pradžia: atomai, branduoliai, hadronai, kvarkaiŠioje serijoje kiekvienoje sudėtingesnėje medžiagos struktūroje kaip komponentas yra paprastesnė. Matyt, tai negali tęstis be galo. Buvo daroma prielaida, kad aprašyta materialių struktūrų grandinė remiasi iš esmės skirtingos prigimties objektais. Parodyta, kad tokie objektai gali būti ne taškiniai, o ištęsti, nors ir itin maži (~10-33 cm) dariniai, vadinami superstygos. Aprašyta idėja mūsų keturmatėje erdvėje neįgyvendinama. Ši fizikos sritis paprastai yra labai abstrakti, todėl labai sunku rasti vaizdinius modelius, kurie padėtų supaprastinti elementariųjų dalelių teorijoms būdingų idėjų suvokimą. Nepaisant to, šios teorijos leidžia fizikams išreikšti „elementariausių“ mikroobjektų tarpusavio transformaciją ir tarpusavio priklausomybę, jų ryšį su keturmačio erdvėlaikio savybėmis. Perspektyviausias yra vadinamasis M teorija (M – nuo paslaptis- mįslė, paslaptis). Ji operuoja dvylikamatė erdvė . Galiausiai, pereinant į keturių dimensijų pasaulį, kurį mes tiesiogiai suvokiame, visi „papildomi“ matmenys „sugriuvo“. M-teorija kol kas yra vienintelė teorija, leidžianti keturias fundamentalias sąveikas redukuoti į vieną – vadinamąją. Supergalia. Svarbu ir tai, kad M teorija leidžia egzistuoti skirtingiems pasauliams ir nustato sąlygas, užtikrinančias mūsų pasaulio atsiradimą. M teorija dar nėra pakankamai išvystyta. Manoma, kad finalas "Visko teorija" remiantis M teorija, bus pastatyta XXI a.
