Кіріспе

Атомнан кіші бөлшектер Физикада субатомдық бөлшектер атомнан кіші бөлшектер болып табылады. Көлшектер физикасының Стандартты моделіне сәйкес, субатомдық бөлшектер басқа бөлшектерден құралған композиттік бөлшектер (мысалы, барион, протон немесе нейтрон сияқты, үш кварктан құралған; немесе екі кварктан құралған мезон) немесе басқа бөлшектерден құралмаған элементарлық бөлшектер (мысалы, кварктер; немесе электрондар, мюондар және тау бөлшектері, олар лептондар деп аталады) болуы мүмкін. Бөлшектер физикасы және ядролық физика осы бөлшектерді және олардың өзара әрекеттесуін зерттейді. Фотон немесе глюон сияқты күш тасымалдайтын бөлшектердің көпшілігі бозон деп аталады және олардың энергиясының дискретті кванттары болса да, тынығу массасы немесе дискретті диаметрлері (таза энергия толқын ұзындығынан басқа) жоқ және олар тынығу массасы бар және біріктірілмейтін бұрынғы бөлшектерден өзгеше. Тәжірибелер жарық бөлшектер ағыны сияқты (фотон деп аталады) және толқын сияқты қасиеттерді көрсете алатынын көрсетті. Бұл кванттық деңгейдегі бөлшектердің бөлшектер де, толқындар да сияқты мінез-құлық танытуын көрсету үшін толқын-бөлшектік дуалдық тұжырымына әкелді; оларды кейде осыны көрсете үшін толқыншалар деп атайды. Тағы бір тұжырым, белгісіздік принципі, олардың кейбір қасиеттерін бірге, мысалы, бір уақыттағы орны мен импульсін дәл өлшеу мүмкін емес деп мәлімдейді. Толқын-бөлшектік дуалдық тек фотондарға ғана емес, сонымен қатар, одан да ауыр бөлшектерге де қатысты екені дәлелденді. Кванттық өріс теориясы шеңберінде бөлшектердің өзара әрекеттесуі сәйкес негізгі өзара әрекеттесудің кванттарын жасау және жою ретінде түсіндіріледі. Бұл бөлшектер физикасын және өріс теориясын біріктіреді. Тіпті бөлшектер физиктері арасында да бөлшектің нақты анықтамасы әртүрлі сипаттамаларға ие. Бөлшектің анықтамасын беруге жасалған кәсіби әрекеттер:
Бөлшек – құлдыраған толқындық функция
Бөлшек – өрістің кванттық қоздырылысы
Бөлшек – Пуанкаре тобының төңкерілмейтін бейнесі
Бөлшек – байқалатын нәрсе
+ Атомдағы бөлшектер Субатомдық бөлшектер Символ Түрі Атомдағы орны Заряд (e) Масса (u) Протон p+ Құрама Ядро +1 ≈1 Нейтрон n0 Құрама Ядро 0 ≈1 Электрон e− Элементар Қабықшалар −1 ≈1/2000

Адрондар

Хадрон сөзін грек тілінен аударғанда, оны 1962 жылы Лев Окун енгізді. Көптеген құрама бөлшектерде глюондармен байланысқан бірнеше кварктер (және/немесе антикварктер) болады (позитрон мен мюон сияқты кварктарсыз сирек ерекшеліктер бар). Аз (≤ 5) кварк (антикварктерді қоса алғанда) бар бөлшектер адрон деп аталады. Түспен шектелу қасиетіне байланысты кварктар жеке кездеспейді, әрқашан бірнеше кварктан тұратын адрондардың құрамында болады. Адрондар кварктардың (антикварктарды қоса алғанда) санына қарай екіге бөлінеді: тақ санды кварктары бар бариондар (көбінесе 3), олардың ішінде протон мен нейтрон (екі нуклон) ең жақсы белгілі; және жұп санды кварктары бар мезондар (көбінесе 2, бір кварк және бір антикварк), олардың ішінде пиондар мен каондар ең жақсы белгілі. Протон мен нейтроннан басқа, барлық адрондар тұрақсыз және микросекундтан кем уақытта басқа бөлшектерге ыдырайды. Протон екі «жоғары» кварктан және бір «төмен» кварктан, ал нейтрон екі «төмен» кварктан және бір «жоғары» кварктан тұрады. Олар көбінесе атом ядросын құрайды, мысалы, гелий-4 ядросы екі протоннан және екі нейтроннан тұрады. Көптеген адрондар ядро сияқты күрделі құрылымдарға байланысуға жеткілікті ұзақ өмір сүрмейді; олар (протон мен нейтроннан басқа) экзотикалық ядроларды құрайды.

Статистика бойынша

Кез келген субатомдық бөлшек, кванттық механика заңдарына бағынатын үш өлшемді кеңістіктегі кез келген бөлшек сияқты, бозон (толық санды спинмен) немесе фермион (жарты санды спинмен) болуы мүмкін. Стандартты модельдегі барлық элементарлық фермиондардың спині 1/2-ге тең, және олар түстік зарядты тасымалдайтын кварктерге және оны тасымалдамайтын лептондарға бөлінеді. Элементарлық бозондарға 1 спинді өлшегіш бозондар (фотон, W және Z бозондары, глюондар) жатады, ал Хиггс бозоны – спині 0-ге тең жалғыз элементарлық бөлшек. Гипотетикалық гравитонның спині 2 болуы теориялық тұрғыдан қажет, бірақ ол Стандартты модельге кірмейді. Суперсимметрия сияқты кейбір теориялар 3/2 спинді қосымша элементарлық бөлшектердің болуын болжайды, бірақ 2021 жылға дейін ешқайсысы ашылмады. Құрама бөлшектер спинінің заңдылықтарына сәйкес, бариондар (3 кварктан тұрады) 1/2 немесе 3/2 спиніне ие, сондықтан олар фермиондар болып табылады; ал мезондар (2 кварктан тұрады) 0 немесе 1 толық спиніне ие, сондықтан олар бозондар.

Масса бойынша

Арнайы салыстырмалылық теориясында, тыныш тұрған бөлшектің энергиясы оның массасын жарық жылдамдығының квадратына көбейтуге тең, E = mc². Яғни, массаны энергия арқылы және керісінше өрнектеуге болады. Егер бөлшектің тыныш тұрғандағы координаттық жүйесі болса, онда ол оң тыныш массаға ие және массивті бөлшек деп аталады. Барлық күрделі бөлшектер массивті болады. Бариондар ("ауыр" деген мағынада) мезондық бөлшектерден ("орташа" деген мағынада) көбінесе ауыр болады, ал мезондық бөлшектер лептондардан ("жеңіл" деген мағынада) көбінесе ауыр болады, бірақ ең ауыр лептон (тау бөлшегі) бариондардың ең жеңіл екі түрінен (нуклоннан) ауыр. Кез келген электр заряды бар бөлшектің массивті екендігі де белгілі. 1950 жылдары бастапқыда анықталғанда, бариондар, мезондар және лептондар терминдері массаға қатысты болған; алайда, 1970 жылдары кварк моделі қабылданғаннан кейін, бариондар үш кварктан тұратын күрделі бөлшектер, мезондар бір кварк пен бір антикварктан тұратын күрделі бөлшектер екендігі, ал лептондар элементар болып табылады және түс заряды жоқ элементар фермиондар ретінде анықталады. Барлық массасыз бөлшектер (инвариантты массасы нөлге тең бөлшектер) элементар болады. Бұларға фотондар мен глюондар кіреді, бірақ соңғысын бөліп алу мүмкін емес.

Кесу арқылы

Субатомдық бөлшектердің көпшілігі тұрақты емес. Барлық лептондар, сондай-ақ бариондар күшті күш немесе әлсіз күш арқылы ыдырайды (протоннан басқа). Протонның ыдырауы белгісіз, бірақ олардың "шын" тұрақтылығы да белгісіз, себебі кейбір маңызды Бірыңғайланған Теориялар (GUTs) оның ыдырауын талап етеді. μ және τ мюондары, сондай-ақ олардың антибөлшектері әлсіз күш арқылы ыдырайды. Нейтринолар (және антинейтринолар) ыдырамайды, бірақ олармен байланысты нейтрино осцилляциясы құбылысы тіпті вакуумде де болуы мүмкін деп есептеледі. Электрон және оның антибөлшегі, позитрон, заряд сақталу принципіне сәйкес теориялық тұрғыдан тұрақты, егер электр зарядының шамасы ≤ (кем немесе тең) e болатын жеңіл бөлшектер табылмаса (мүмкіндігі төмен). Оның заряды әлі анықталған жоқ.

Басқа қасиеттері

Барлық байқалатын субатомдық бөлшектердің электр заряды элементарлық зарядтың толық сан есесіне тең болады. Стандартты модель кварктарында "толық емес" электр зарядтары бар, атап айтқанда, e-нің бөлшегі, бірақ кварктар (және толық емес электр заряды бар басқа да комбинациялар) түс тұтқындығының салдарынан оқшауланбайды. Бариондар, мезондар және олардың антибөлшектері үшін құрамына кіретін кварктардың зарядтары e-нің толық сан есесіне дейін қосылады. Альберт Эйнштейн, Сатиендра Нат Боз, Луи де Броли және тағы басқалардың еңбектері арқасында қазіргі ғылыми теория барлық бөлшектердің де толқындық қасиеттері бар дейді. Бұл ғана емес, элементарлық бөлшектермен қатар, атомдар және тіпті молекулалар сияқты күрделі бөлшектерде де расталды. Шындығында, релятивистік емес кванттық механиканың дәстүрлі тұжырымдамаларына сәйкес, толқын-бөлшектік дуалдық барлық денелерге, тіпті макроскопиялық денелерге де қолданылады; бірақ макроскопиялық денелердің толқындық қасиеттерін олардың кішкентай толқын ұзындығына байланысты анықтау мүмкін емес. Бөлшектердің өзара әрекеттесуі ғасырлар бойы зерттелді, ал бөлшектердің соқтығысулары мен өзара әрекеттесулеріндегі мінез-құлқына бірнеше қарапайым заңдар негіз болады. Олардың ең негізгілері – энергияның сақталу заңы және импульстің сақталу заңы, олар жұлдыздардан кварктарға дейінгі масштабта бөлшектердің өзара әрекеттесуін есептеуге мүмкіндік береді. Бұл – 1687 жылы алғаш рет жарияланған «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica» еңбегіндегі қағидалар мен теңдеулер жиынтығы, Ньютон механикасының негізгі принциптері.

Атомды бөлу

Теріс зарядталған электронның массасы сутек атомының массасының шамамен бір бөлігін құрайды. Сутек атомының қалған массасы оң зарядталған протондан тұрады. Элементтің атомдық нөмірі – оның ядросындағы протондардың саны. Нейтрондар – протоннан сәл ауыр бейтарап бөлшектер. Бір элементтің әртүрлі изотоптарында протон саны бірдей, ал нейтрон саны әртүрлі болады. Изотоптың массалық саны – нуклеондардың (нейтрондар мен протондардың) жалпы саны. Химия атомдардың кристаллдар мен молекулалар сияқты құрылымдарға қалай бірігуін зерттейді. Химияны түсіну үшін маңызды субатомдық бөлшектер – электрон, протон және нейтрон. Ядролық физика протон мен нейтронның ядрода қалай орналасқанын зерттейді. Субатомдық бөлшектерді, атомдар мен молекулаларды, олардың құрылымын және өзара әрекеттесуін зерттеу кванттық механиканы талап етеді. Бөлшектердің саны мен түрін өзгертетін процестерді талдау үшін кванттық өріс теориясы қажет. Субатомдық бөлшектерді зерттеуді бөлшектер физикасы деп атайды. Жоғары энергиялық физика термині "бөлшектер физикасы" терминімен шамалас, себебі бөлшектерді құру үшін жоғары энергия қажет: ол тек ғарыш сәулелерінің әсерінен немесе бөлшектер үдеткіштерінде ғана пайда болады. Бөлшектер феноменологиясы осы эксперименттерден алынған субатомдық бөлшектер туралы білімді жүйелейді.

Жалпы оқырмандар

Фейнман, Р. П. & Вайнберг, С. (1987). Элементар бөлшектер және физика заңдары: 1986 жылғы Дирак естелік лекциялары. Кембридж университеті баспасы. Оертер, Роберт (2006). Барлық нәрсенің теориясы: Стандартты модель, қазіргі физиканың толыққанды жетістігі. Plume. Шумм, Брюс А. (2004). Темендегілер: Бөлшектер физикасының таңғажайып сұлулығы. Джонс Хопкинс университеті баспасы.

Оқулық

Коушлан, Г. Д., Дж. Е. Додд және Б. М. Грипаиос (2006). Бөлшектік физика идеялары: Ғалымдарға арналған кіріспе, 3-ші басылым. Кембридж университеті баспасы. Физика мамандығы жоқ студенттерге арналған оқулық.