Формирование физической картины мира на примере изучения элементарных частиц

Слайд 1

Слайд 2

Определение элементарной частицы Классификация элементарных частиц Фундаментальные (бесструктурные) частицы Кварки и их свойства Содержание.

Слайд 3

Элементарная частица — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы . Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы , в том числе частицы, составляющие ядро атома — протоны и нейтроны) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно по причине эффекта конфайнмента . Определение элементарной частицы.

Слайд 5

Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы и их совокупности, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и др. Основные характеристики элементарных частиц: масса, спин, электрический заряд, время жизни, чётность, G-чётность, магнитный момент, барионный заряд, лептонный заряд, странность, изотопический спин, CP-чётность, зарядовая чётность.

Слайд 7

По времени жизни Все элементарные частицы делятся на два класса: Стабильные элементарные частицы — частицы , имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии (протон, электрон, нейтрино, фотон, гравитон и их античастицы). Нестабильные элементарные частицы — частицы , распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии за конечное время (все остальные частицы). По массе Все элементарные частицы делятся на два класса: Безмассовые частицы — частицы с нулевой массой (фотон, глюон , гравитон и их античастицы). Частицы с ненулевой массой (все остальные частицы). Классификация.

Слайд 8

По величине спина ( собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. ) Все элементарные частицы делятся на два класса: бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон , мезоны, бозон Хиггса ); фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино).

Слайд 9

По видам взаимодействий Элементарные частицы делятся на следующие группы: Составные частицы Адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами; барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон. Фундаментальные (бесструктурные) частицы

Слайд 11

Лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть 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. Фундаментальные (бесструктурные) частицы.

Слайд 12

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 Z 0 , 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, предсказанный в 1964 году и обнаруженный в 2012 году на Большом адронном коллайдере .

Слайд 14

Кварк — фундаментальная частица в Стандартной модели, обладающая электрическим зарядом, кратным e /3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии, но входящая в состав адронов (сильно взаимодействующих частиц, таких какпротоны и нейтроны). Кварки являются бесструктурными, точечными частицами; это проверено вплоть до масштаба примерно 10 −16 см, что примерно в 20 тысяч раз меньше размера протона. Кварки.

Слайд 15

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 различных 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 существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент ). Свойства кварков.

Слайд 17

Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны. Кварки асимптотически свободны при высоких энергиях. Математический аппарат теории кварков основан на предположении, что взаимодействия кварков инвариантны относительно группы изоспиновых преобразований SU(3) При высоких энергиях в столкновениях адронов могут наблюдаться процессы слабой аннигиляции кварков и антикварков в виртуальный или реальный W или Z-бозон слабого взаимодействия. Дробный заряд кварков проявляются в процессе рождения струй адронов в аннигиляции e+e - при высоких энергиях. Кварки порождаются глюонами только парой кварк-антикварк .

Слайд 18

Процесс аннигиляции: а − диаграмма процесса е + е - в лептоны и кварки; 6 − угловое распределение лептонов и осей кварковых струй в процессе е + е - .

Слайд 19

Существование цвета у кварков было доказано в экспериментах по изучению процесса аннигиляции е + е - → адроны. На рис. 46 представлено отношение сечения этого процесса к сечению процесса е + е - → лептоны.