Введение

Частица меньше атома

В физике субатомная частица – это частица, размер которой меньше атома. Согласно Стандартной модели физики частиц, субатомная частица может быть либо композитной частицей, состоящей из других частиц (например, барион, такой как протон или нейтрон, состоящий из трех кварков; или мезон, состоящий из двух кварков), либо элементарной частицей, которая не состоит из других частиц (например, кварки; или электроны, мюоны и тау-частицы, которые называются лептонами). Физика частиц и ядерная физика изучают эти частицы и их взаимодействие. Большинство частиц-переносчиков силы, таких как фотоны или глюоны, называются бозонами, и, хотя они обладают дискретными квантами энергии, не имеют массы покоя или дискретных диаметров (за исключением чистой длины волны энергии) и отличаются от частиц, обладающих массой покоя и не способных перекрываться или объединяться, которые называются фермионами. Эксперименты показывают, что свет может проявлять себя как поток частиц (называемых фотонами), а также демонстрировать волновые свойства. Это привело к концепции волново-частичного дуализма, отражающей тот факт, что частицы квантового масштаба ведут себя как частицы, так и как волны; их иногда называют волночастицами, чтобы подчеркнуть это. Другая концепция, принцип неопределенности, утверждает, что некоторые из их свойств, рассматриваемые вместе, такие как одновременное положение и импульс, не могут быть измерены точно. Волново-частичный дуализм был показан применимым не только к фотонам, но и к более массивным частицам. Взаимодействия частиц в рамках квантовой теории поля понимаются как создание и аннигиляция квантов соответствующих фундаментальных взаимодействий. Это объединяет физику частиц с теорией поля. Даже среди физиков-частиц точное определение частицы имеет различные интерпретации. Эти профессиональные попытки определения частицы включают:
Частица – это схлопнувшаяся волновая функция.
Частица – это квантовое возбуждение поля.
Частица – это неприводимое представление группы Пуанкаре.
Частица – это наблюдаемый объект.

+ Частицы в атоме
Субатомная частица | Символ | Тип | Расположение в атоме | Заряд (e) | Масса (u)
---|---|---|---|---|---
Протон | p+ | Композитная | Ядро | +1 | ≈1
Нейтрон | n0 | Композитная | Ядро | 0 | ≈1
Электрон | e− | Элементарная | Оболочки | −1 | ≈1/2000

Хадроны

Слово адрон происходит от греческого и было введено в 1962 году Львом Окунем. Почти все составные частицы содержат несколько кварков (и/или антикварков), связанных вместе глюонами (с некоторыми исключениями, не содержащими кварков, такими как позитроний и мюон). Частицы, содержащие небольшое количество кварков (≤ 5) – включая антикварки – называются адронами. В силу свойства, известного как цветовое удержание, кварки никогда не встречаются в одиночку, а всегда существуют в адронах, содержащих несколько кварков. Адроны подразделяются по числу кварков (включая антикварки) на барионы, содержащие нечётное число кварков (почти всегда 3), среди которых протон и нейтрон (два нуклона) наиболее известны; и мезоны, содержащие чётное число кварков (почти всегда 2, один кварк и один антикварк), среди которых наиболее известны пионы и каоны. За исключением протона и нейтрона, все остальные адроны нестабильны и распадаются на другие частицы за микросекунды или менее. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка. Они обычно объединяются в атомные ядра, например, ядро гелия-4 состоит из двух протонов и двух нейтронов. Большинство адронов не живут достаточно долго, чтобы образовать подобные ядра; те, которые это делают (кроме протона и нейтрона), формируют экзотические ядра.

По статистике

Любая субатомная частица, как и любая частица в трехмерном пространстве, подчиняющаяся законам квантовой механики, может быть либо бозоном (с целым спином), либо фермионом (с полуцелым спином). В Стандартной модели все элементарные фермионы имеют спин 1/2 и делятся на кварки, несущие цветовой заряд и поэтому подверженные сильному взаимодействию, и лептоны, которые не подвержены ему. Элементарные бозоны включают в себя калибровочные бозоны (фотон, W и Z-бозоны, глюоны) со спином 1, а бозон Хиггса является единственной элементарной частицей со спином 0. Гипотетический гравитон теоретически должен иметь спин 2, но не входит в состав Стандартной модели. Некоторые расширения, такие как суперсимметрия, предсказывают дополнительные элементарные частицы со спином 3/2, однако ни одна из них не была обнаружена по состоянию на 2021 год. В соответствии с законами спина составных частиц, барионы (состоящие из 3 кварков) имеют спин либо 1/2, либо 3/2 и, следовательно, являются фермионами; мезоны (состоящие из 2 кварков) имеют целый спин, равный либо 0, либо 1, и, следовательно, являются бозонами.

По массе

В специальной теории относительности энергия частицы в состоянии покоя равна её массе, умноженной на квадрат скорости света, E = mc². То есть, массу можно выразить через энергию и наоборот. Если у частицы существует система отсчёта, в которой она находится в состоянии покоя, то она обладает положительной массой покоя и называется массивной. Все составные частицы являются массивными. Барионы (что означает "тяжёлый") как правило имеют большую массу, чем мезоны (что означает "промежуточный"), которые, в свою очередь, как правило тяжелее, чем лептоны (что означает "лёгкий"), но самый тяжёлый лептон (тау-частица) тяжелее, чем два самых лёгких кварковых аромата барионов (нуклонов). Также достоверно известно, что любая частица, обладающая электрическим зарядом, является массивной. Когда термины барионы, мезоны и лептоны были первоначально определены в 1950-х годах, они относились к величинам массы; однако, после принятия кварковой модели в 1970-х годах, стало известно, что барионы состоят из трёх кварков, мезоны – из одного кварка и одного антикварка, а лептоны являются элементарными и определяются как элементарные фермионы, не имеющие цветового заряда. Все безмассовые частицы (частицы, чья инвариантная масса равна нулю) являются элементарными. К ним относятся фотон и глюон, хотя последний не может быть изолирован.

С разложением

Большинство субатомных частиц нестабильны. Все лептоны, а также барионы распадаются либо посредством сильного, либо слабого взаимодействия (за исключением протона). Протоны, насколько известно, не распадаются, хотя вопрос об их "истинной" стабильности остаётся открытым, поскольку некоторые важные Великие Объединённые Теории (GUT) фактически предсказывают их распад. Мюоны μ и τ, а также их античастицы, распадаются посредством слабого взаимодействия. Нейтрино (и антинейтрино) не распадаются, однако предполагается существование связанного явления – колебаний нейтрино, даже в вакууме. Электрон и его античастица, позитрон, теоретически стабильны из-за закона сохранения заряда, если только не существует более лёгкой частицы с величиной электрического заряда ≤ (меньше или равно) e (что маловероятно). Информация об их заряде пока не получена.

Другие свойства

Все наблюдаемые субатомные частицы имеют электрический заряд, кратный целому числу элементарного заряда. Кварки Стандартной модели имеют электрические заряды, не являющиеся целыми числами, то есть кратные e, но кварки (и другие комбинации с нецелым электрическим зарядом) не могут быть изолированы из-за конфайнмента цвета. Для барионов, мезонов и их античастиц суммарный заряд составляющих кварков кратен целому числу e.

Благодаря работам Альберта Эйнштейна, Сатьендры Ната Бозе, Луи де Бройля и многих других, современная научная теория утверждает, что все частицы также обладают волновыми свойствами. Это было подтверждено не только для элементарных, но и для составных частиц, таких как атомы и даже молекулы. Фактически, согласно классическим формулировкам нерелятивистской квантовой механики, корпускулярно-волновой дуализм применим ко всем объектам, даже макроскопическим, хотя волновые свойства макроскопических объектов невозможно обнаружить из-за их малых длин волн. Взаимодействия между частицами изучались на протяжении многих веков, и несколько простых законов определяют поведение частиц при столкновениях и взаимодействиях. Наиболее фундаментальными из них являются законы сохранения энергии и импульса, позволяющие проводить расчеты взаимодействий частиц в масштабах от звезд до кварков. Это базовые принципы ньютоновской механики, представленные в виде ряда утверждений и уравнений в труде «Математические начала натуральной философии» (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica), впервые опубликованном в 1687 году.

Разделение атома

У отрицательно заряженного электрона масса составляет примерно 1/1836 массы атома водорода. Остальная масса атома водорода приходится на положительно заряженный протон. Атомный номер элемента равен числу протонов в его ядре. Нейтроны – это нейтральные частицы, масса которых лишь немного превышает массу протона. Различные изотопы одного и того же элемента содержат одинаковое число протонов, но различаются по числу нейтронов. Массовое число изотопа – это общее число нуклонов, то есть нейтронов и протонов вместе взятых. Химия изучает, как обмен электронами связывает атомы в структуры, такие как кристаллы и молекулы. Для понимания химии важными считаются субатомные частицы: электрон, протон и нейтрон. Ядерная физика исследует, как протоны и нейтроны организованы в ядрах. Изучение субатомных частиц, атомов и молекул, а также их структуры и взаимодействий требует применения квантовой механики. Для анализа процессов, изменяющих число и тип частиц, необходима квантовая теория поля. Изучение субатомных частиц само по себе называется физикой частиц. Термин "физика высоких энергий" практически синонимичен "физике частиц", поскольку для создания частиц требуются высокие энергии, которые возникают только в результате космического излучения или в ускорителях частиц. Феноменология частиц систематизирует знания о субатомных частицах, полученные в ходе этих экспериментов.

Общие читатели

Фейнман, Р. П. и Вайнберг, С. (1987). Элементарные частицы и законы физики: Мемориальные лекции Дирака 1986 года. Издательство Кембриджского университета. Оертер, Роберт (2006). Теория почти всего: Стандартная модель, незаслуженный триумф современной физики. Plume. Шумм, Брюс А. (2004). Глубоко внутри: захватывающая красота физики частиц. Издательство Университета Джона Хопкинса.

Учебники

Coughlan, G. D., J. E. Dodd и B. M. Gripaios (2006). Идеи физики частиц: Введение для ученых, 3-е изд. Издательство Кембриджского университета. Учебник для студентов, не специализирующихся в области физики.