Классификация элементарных частиц

Частицы – собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые (согласно существующим представлениям) невозможно расщепить на составные части.

Античастицы - частица-двойник некоторой другой элементарной частицы, обладающая той же массой и тем же спином, но отличающаяся от неё знаками некоторых характеристик взаимодействия (зарядов, таких как электрический и цветовой заряды, барионное и лептонное квантовые числа).

Все элементарные частицы делятся на два класса:

§ бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны).

§ фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

Типы элементарных частиц:

кванты полей: фотоны, γ (кванты электромагнитного поля), участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействиями.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

§ лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10⁻¹⁸ м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

§ кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

§ калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

§ фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

§ восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;

§ три промежуточных векторных бозона W⁺, W⁻ и Z⁰, переносящие слабое взаимодействие;

§ гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.

Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

· Мезоны: сильно взаимодействующие нестабильные частицы. (π-мезоны, каоны).

· Барионы: объединяют в себе нуклоны и нестабильные частицы. Все барионы обладают сильным взаимодействием и активно взаимодействуют с атомами. Спин равен ½.

Кварковая модель адронов

Главная идея, высказанная впервые М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом, состоит в том, что все частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц –кварков. Все кварки имеют спин, равный 1/2. В настоящее время установлено существование пяти разновидностей кварков: и, d, s, с, b, t.
Кварки и, с и t имеют электрический заряд, равный +2/3, а кварки d, s и b - заряд, равный -1/3. Кварки с зарядом +2/3 принято называть верхними, а с зарядом -1/3 - нижними

Кварки не существуют в свободном состоянии, а заключены в кварковых системах – адронах. Им нельзя освободиться от взаимодействий c находящимися в том же объеме другими кварками и глюонами.

Все адроны можно разбить на два больших класса. Одни, называемые барионами, состоят из трех кварков. Барионы - фермионы, у них - полуцелый спин. Другие - называемые мезонами, состоят из кварка и антикварка. Мезоны - бозоны, у них - целый спин

Барионы, состоящие не только из и- и d-кварков, называются гиперонами. Например, самый легкий из гиперонов - Λ-гиперон состоит из трех разных кварков: Λ = uds.
Самые легкие из мезонов - -мезоны, или пионы: π⁺, π^-, π⁰. Кварковая структура заряженных пионов проста:

π⁺ = u ,, π^- = d ,

Конституэнтные кварки – это «эффективные» кварки в адронах, движение и взаимодействие которых, формируют адрон.

Токовые кварки – кварки, не испытывающие взаимодействия.

Свойства кварков: В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +²/₃, а другой — −¹/₃. Подразделение на поколения распространяется также и на лептоны.

Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо заметное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны.

Элементы космогонии

Космогония - наука, изучающая происхождение и развитие небесных тел, например планет и их спутников, Солнца,

звёзд, галактик.

Центральное тело нашей планетной системы – Солнце. Оставшиеся 0,134 % вещества представлены девятью большими Планетыпланетами (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон) и несколькими десятками спутников планет (в настоящее время их открыто более 60), малыми планетами – астероидами ( ~100 тысяч), кометами ( ~1011 объектов), огромным количеством мелких фрагментов – метеороидов, а также космической пылью.

Солнце (желтый карлик) – сосредоточило в себе 99,866 % всей массы Солнечной системы.

Солнце сформировалось примерно 4,59 миллиарда лет назад, когда быстрое сжатие под действием сил гравитации облака молекулярного водорода привело к образованию в нашей области Галактики звезды первого типа звёздного населения типа T Тельца. через 4—5 миллиардов лет оно превратится в звезду типа красный гигант. По мере того, как водородное топливо в ядре будет выгорать, его внешняя оболочка будет расширяться, а ядро — сжиматься и нагреваться. После того, как Солнце пройдёт фазу красного гиганта, термические пульсации приведут к тому, что его внешняя оболочка будет сорвана и из неё образуется планетарная туманность. В центре этой туманности останется сформированная из очень горячего ядра Солнца звезда типа белый карлик, которая в течение многих миллиардов лет будет постепенно остывать и угасать.

Звезда такой массы, как Солнце, должна существовать на главной последовательности в общей сложности примерно 10 миллиардов лет. Таким образом, сейчас Солнце находится примерно в середине своего жизненного цикла.

Происхождение Солнечной системы: формировании планет из разреженного пылевого вещества, обращавшегося вокруг Солнца. Согласно П. С. Лапласу материалом для образования планет послужила часть газового вещества, отделившаяся от сжимающегося протосолнца. Место Солнечной системы в Галактике: Солнце расположено вовсе не в центре Млечного Пути, а на его окраине, в звездной провинции, на расстоянии 25 тысяч световых лет от центра. Антропологический принцип: означающий внеисторич. рассмотрение человека как части природы, как неизменяющегося естеств. существа, наделенного материальными и духовными качествами. А. п., направленный против дуалистич. разрыва материи и духа и идеалистич.

Элементы космологии

Космоло́гия — раздел астрономии, изучающий свойства и эволюцию Вселенной в целом. Основу этой дисциплины составляют математика, физика и астрономия.

В период 10в-36 – 10в-10 с Вселенная состояла из смеси пока безмассовых кварков и лептонов, а также фотонов, возникших при взаимной аннигиляции электронов и позитронов, следующего (более легкого) поколения Z- и W-бозонов, ответственных за слабое взаимодействие, и других гипотетических (суперсимметричных) частиц, например нейтрально. температуры 1015 К.

После 10в -6 с, когда средняя энергия упала до 109 эВ (Т = 1013 К, размер Вселенной порядка 1011 км), из кварков начали формироваться мезоны, затем стабильные протоны и относительно стабильные нейтроны.

Примерно через 1 с после Большого Взрыва ( Т = 1010 К, размер Вселенной увеличился до 1014 км, или 10 световых лет) плотность частиц снизилась до такого значения (≈100000 г/см3), при котором взаимодействия с участием нейтрино становятся настолько редкими, что они не могут больше находиться в термодинамическом равновесии с другими частицами. Эти нейтрино начинают жить своей независимой жизнью, свободно двигаясь по Вселенной (

Еще через несколько секунд, при энергиях ниже миллиона эВ, перестали образовываться электроны и позитроны. Те же, что уже были, почти полностью уничтожились за счет аннигиляции, оставив в «живых» ровно столько электронов, сколько до этого сохранилось протонов, - чтобы сбалансировать их положительный электрический заряд и оставить Вселенную (как и в самом исходном состоянии) электрически нейтральной.

Через 100 с после Большого Взрыва ( Т = 109 К, и размеры Вселенной достигли сотен световых лет) протоны и нейтроны начали сливаться в легчайшие ядра водорода Н, дейтерия D, гелия 3Не, 4Не и лития 7Li (более тяжелые ядра не могли тогда образоваться из-за отсутствия стабильных ядер с массовыми числами 5 и 8). Кроме водорода, в основном появлялись ядра 4Не, который с тех пор составляет около 1/4 барионной массы Вселенной; оставшиеся невостребованными лишние нейтроны распались в течение нескольких последующих часов и исчезли со сцены. Этот процесс называется первичным нуклеосинтезом, а относительная распространенность в космосе легчайших ядер, которая с достаточно высокой точностью измеряется сегодня, служит хорошим тестом для проверки модели Большого Взрыва.

И только спустя 300 000 лет, когда температура упала до 10 000 К и диаметр Вселенной достиг размеров десятков миллионов световых лет (1020 км), ядра стали окружаться электронными оболочками и возникли первые легкие атомы водорода и гелия.

Когда температура снизилась до 3000 К, гравитационное притяжение между молекулами начало превосходить их взаимное отталкивание за счет теплового движения. Начали формироваться первоначальные крупномасштабные структуры и группирования - протогалактики, на основе которых позднее (через сотни миллионов лет после Взрыва при температуре в сотни К) стали образовываться звезды и звездные скопления - галактики. Первые звезды состояли практически только из водорода и гелия в виде горячей плазмы с температурой в центральной части, достаточной для протекания термоядерных реакций, в результате которых образовывались более тяжелые элементы - вплоть до железа. Химические элементы тяжелее железа рождались в результате взрыва сверхновых звезд.

«Большой взрыв» — космологическая теория начала расширения Вселенной.

Строение вселенной: Примерно 85% приходится не на звезды и не на планеты, а на тёмную материю. Состоит из галактик в котрых звёзды и солнечные системы и из комет …..

Одним из значительных следстивй общей теории относительноси является вывод о непрерывнмо движении вещества Вселенной-нестационарности Вселенной.Этот вывод был получен в 20-х годах нашего столетия советским математиком А.А.Фридманом. Он показал , что в зависимости от среденей плотности вещество Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. При расширении Вселенной скорость разбегания галактик должна быть пропорциональна расстоянию до них-вывод.

Критическое значение средней плотности вещества, от которой зависит характер его движения,

 k=( 3H^2)/8ПиG

где G - гравитационная постоянная, а H=75 км/с*Мпк - постоянная Хаббла.

Подставляя нужные значения, получаем, что критическое значение средней плотности

вещества

k = 10-29 г/см3