Презентация по микромиру: "Элементарные частицы и их классификация"

Элементарные частицы и их классификация

Работу выполнила

студентка 2 курса группы ЕСБ-161 ГАОУ ВО МГПУ ИМИиЕН

Деулина Юлия Андреевна

Содержание

• Понятие «Элементарные частицы»
• Классификация элементарных частиц
• Адроны
• Лептоны
• Частицы - переносчики взаимодействий.
• Теория Кварков

Элементарные частицы

• - это первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.
• Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами.
• Общее свойство этих систем - они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами .

Элементарные частицы

• Открыто более 350 элементарных частиц, из которых стабильны лишь фотон, нейтрино, электрон, протон и их античастицы.
• Каждая элементарная частица, за исключением абсолютно нейтральных, имеет свою античастицу.

Классификация элементарных частиц

Элементарные частицы

Слабо

Сильно

АДРОНЫ

ЛЕПТОНЫ

взаимодействующие частицы

• не участвуют в сильном взаимодействии.
• их название происходит от греч. «легкий, тонкий», поскольку массы известных до середины 70-х гг. частиц этого класса были заметно меньше масс всех других частиц (кроме фотона).

• участвуют во всех видах взаимодействия, включая сильное
• получили свое название от греч. «большой, сильный»

Адроны

• участвуют во всех видах взаимодействия, включая сильное
• получили свое название от греч. «большой, сильный»

Барионы

Мезоны

группа частиц с массой не меньше массы протона, названных так от греч. «тяжелый»

Для объяснения существования ядерных сил взаимодействия между нуклонами квантовая теория требовала существования особых элементарных частиц с массой больше массы электрона, но меньше массы протона. Эти предсказанные квантовой теорией частицы позже были названы мезонами. Мезоны были обнаружены экспериментально. Их оказалось целое семейство. Все они оказались короткоживущими нестабильными частицами, живущими в свободном состоянии миллиардные доли секунды.

Гипероны

Нуклоны

При исследованиях на ускорителях заряженных частиц были обнаружены частицы с массами, превосходящими массу протона. Эти частицы были названы гиперонами. Их обнаружилось даже больше, чем мезонов. К семейству гиперонов относятся: лямбда-, сигма-, кси- и омега-минус-гипероны.

Нейтроны

Протоны

Протон

• от др.-греч. πρῶτος — первый, основной
• состоит из трёх кварков (один d-кварк и два u-кварка)
• относится к барионам
• имеет спин* 1⁄2
• электрический заряд +1.
• стабилен

*Спин— собственный момент импульса, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого .

Нейтрон

• от лат. neuter — ни тот, ни другой
• тяжёлая элементарная частица, не имеющая электрического заряда
• принадлежит к классу барионов
• открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Джеймсу Чедвику
• масса (примерно на 0,1378 % больше, чем масса протона; 1,674 927 471(21)·10−27 кг; 1 838,683 661 58(90) массы электрон.
• Электрический заряд: 0. Экспериментально измеренное значение совместимо с нулём: (−0,2±0,8)·10−21 элементарного электрического заряда.
• спин: 1⁄2 (фермион*)
• состоит из трёх кварков (два d-кварка и один u-кварк)
• несмотря на нулевой электрический заряд, нейтрон не является истинно нейтральной частицей.
• античастицей нейтрона является антинейтрон, который не совпадает с самим нейтроном.
• нейтроны и протоны являются двумя главными компонентами атомных ядер

*Фермио́н — частица (или квазичастица) с полуцелым значением спина

Адроны

Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Но со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину. Постепенно стала выстраиваться более или менее четкая картина. Появились конкретные идеи о том, как систематизировать хаос эмпирических данных, раскрыть тайну адронов в научной теории. Решающий шаг здесь был сделан в 1963 году, когда была предложена теория кварков.

Лептоны

• Лептоны считаются истинно элементарными частицами.
• Хотя лептоны могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь, спин у всех у них равен 1/2

Название

Электрон

Масса

Мюон

Заряд

1

Тау-лептон

-1

206,7

Электронное нейтрино

-1

3492,0

Мюонное нейтрино

-1

0

0

0

Тау-нейтрино

0

0

0

Лептоны

нейтрино

электроны

мюоны

Электрон — это первая из открытых элементарных частиц. Как и все остальные лептоны, электрон, по-видимому, является элементарным объектом. Насколько известно, электрон не состоит из каких-то других частиц.

тау-лептон

Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех те взаимодействиях, но имеет большую массу (около 207 масс электрона) и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино.

Лептоны

электроны

мюоны

нейтрино

тау-лептон

Нейтрино являются наиболее распространенными частицами по Вселенной. Вселенную можно представить безбрежным нейтринным морем, в котором изредка встречаются острова в виде атомов. Но несмотря на такую распространенность нейтрино, изучать их очень сложно. Нейтрино почти неуловимы. Не участвуя ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях, они проникают через вещество, как будто его вообще нет. Нейтрино —  это некие "призраки физического мира".

  В 60-х годах список лептонов значительно расширился. Было установлено, что существует несколько типов нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Таким образом, общее число разновидностей нейтрино равно трем.

В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название "тау-лептон". Это очень тяжелая частица. Ее масса около 3500 масс электрона. Но во всем остальном он ведет себя подобно электрону и мюону.

Общее число лептонов — шести. Разумеется, у каждого лептона есть своя античастица; таким образом, общее число различных лептонов равно двенадцати. Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии; заряженные - в слабом и электромагнитном. Все лептоны участвуют в гравитационном взаимодействии, но не способны к сильным.

Частицы - переносчики взаимодействий.

• Перечень известных частиц не исчерпывается перечисленными частицами — лептонами и адронами, которые образуют строительный материал вещества. В этот перечень не включен, например, фотон.
• Есть также еще один тип частиц, которые не являются непосредственно строительным материалом материи, а обеспечивают все четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода "клей", не позволяющий миру распадаться на части. Такие частицы называются переносчиками взаимодействий, причем отдельный вид частиц переносит свои взаимодействия.

Глюоны

Гравитоны

Фотон

W+- и Z0 - бозоны

Частицы - переносчики взаимодействий.

Глюоны

W+- и Z0 - бозоны

Гравитоны

фотон

• Переносчиком электромагнитного взаимодействия между заряженными частицами выступает фотон. Фотон — квант электромагнитного излучения, нейтральная частица с нулевой массой. Спин фотона равен 1.
• Переносчики сильного взаимодействия — глюоны. Это гипотетические электрически нейтральные частицы с нулевой массой и спином 1. Подобно кваркам, глюоны обладают квантовой характеристикой «цвет». Глюоны — переносчики взаимодействия между кварками, т.к. связывают их попарно или тройками.
• Переносчики слабого взаимодействия три частицы — W+, W- и Z° бозоны. Они были открыты лишь в 1983 г. Радиус слабого взаимодействия чрезвычайно мал, поэтому его переносчиками должны быть частицы с большими массами покоя. В соответствии с принципом неопределенности время жизни частиц с такой большой массой покоя должно быть чрезвычайно коротким — всего лишь около 10n сек (где n = -26 ). Радиус переносимого этими частицами взаимодействия очень мал потому, что столь короткоживущие частицы не успевают отойти особенно далеко.
• Высказывается мнение, что возможно существование и переносчика гравитационного поля — гравитона (в тех теориях гравитации, которые рассматривают ее не (только) как следствие искривления пространства-времени, а как поле). Теоретически, гравитон — квант гравитационного поля, имеющий нулевую массу покоя, нулевой электрический заряд и спин 2. В принципе гравитоны можно зафиксировать в эксперименте. Но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то непосредственно зафиксировать гравитоны очень сложно, и пока это не удалось ни одному ученому.

Классификация частиц на лептоны, адроны и переносчики взаимодействий исчерпывает мир известных нам субатомных частиц. Каждый вид частиц играет свою роль в формировании структуры материи и Вселенной .

Теория Кварков

Теория кварков — это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц, называемых кварками. Значит, кварки — это более элементарные частицы, чем адроны. Кварки являются гипотетическими частицами, т.к. не наблюдались в свободном состоянии. Барионный заряд кварков равен 1/3. Они несут дробный электрический заряд: они обладают зарядом, величина которого составляет либо -1/3 или +2/3 фундаментальной единицы — заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин Ѕ, поэтому они относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е годы адроны ввели три сорта (цвета) кварков: u (от up — верхний), d (от down — нижний) и s (от strange — странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк — антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы — барионы. Наиболее известны из барионов нейтрон и протон. Более легкие пары кварк — антикварк образуют частицы, получившие название мезоны — "промежуточные частицы". Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварков (uud), а нейтрон - из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это "трио" кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий "клей".

Теория Кварков

Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон "прилипает" к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть сил тратится на прочное склеивание трио кварков, а небольшая - на скрепление двух трио кварков друг с другом. Но позднее выяснилось, что кварки участвуют и в слабом взаимодействии. Слабое взаимодействие может изменять цвет кварка. Именно так происходит распад нейтрона. Один из d-кварков в нейтроне превращается в u-кварк, а избыток заряда уносит рождающийся одновременно электрон. Аналогичным образом, изменяя аромат, слабое взаимодействие приводит к распаду и других адронов.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е годы были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен удар первому варианту теории кварков, поскольку в ней уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны.

Теория Кварков

Проблему удалось решить за счет введения трех новых цветов. Они получили название — с - кварк (charm — очарование), b - кварк (от bottom — дно, а чаще beauty — красота, или прелесть), и впоследствии был введен еще один цвет — t ( от top — верхний).

До настоящего времени кварки и антикварки в свободном виде не наблюдались. Однако сомнений в реальности их существования практически не осталось. Более того, ведутся поиски следующих за кварками «настоящих» элементарных частиц — глюонов, которые являются носителями взаимодействий между кварками, т.к. кварки скрепляются между собой сильным взаимодействием, а глюоны (цветовые заряды) являются переносчиками сильного взаимодействия. Область физики элементарных частиц, изучающая взаимодействие кварков и глюонов, носит название квантовой хромодинамики . Как квантовая электродинамика — теория электромагнитного взаимодействия, так квантовая хромодинамика — теория сильного взаимодействия. Квантовая хромодинамика — квантовополевая теория сильного взаимодействия кварков и глюонов, которое осуществляется путем обмена между ними — глюонами (аналогами фотонов в квантовой электродинамике). В отличие от фотонов, глюоны взаимодействуют друг с другом, что приводит, в частности, к росту силы взаимодействия между кварками и глюонами при удалении их друг от друга. Предполагается, что именно это свойство определяет короткодействие ядерных сил и отсутствие в природе свободных кварков и глюонов.

Теория Кварков

По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны — из кварка и антикварка.

Хотя и существует некоторая неудовлетворенность кварковой схемой, большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами — точечными, неделимыми и не обладающими внутренней структурой. В этом отношении они напоминают лептоны, и уже давно предполагается, что между этими двумя различными, но сходными по своей структуре семействами должна существовать глубокая взаимосвязь.

Таким образом, наиболее вероятное число истинно элементарных частиц (не считая переносчиков фундаментальных взаимодействий) на конец ХХ века равно 48. Из них: лептонов (6х2) = 12 и кварков (6х3)х2 =36.

Информационные ресурсы

• Элементарные частицы
• Классификация элементарных частиц
• Лептоны, адроны, переносчики взаимодействий
• Кварки

Спасибо за внимание!

Истинно нейтральные частицы

• Истинно нейтральные частицы — элементарные частицы или системы элементарных частиц, которые переходят в себя при зарядовом сопряжении, то есть являются античастицами для самих себя. Иногда также говорят, что они не имеют античастиц.
• Для того, чтобы частица называлась истинно нейтральной, недостаточно, чтобы частица была электрически нейтральной. Многие нейтральные частицы, такие как нейтрон, гипероны Σ0 и Ξ0, мезоны D0 и B0, а также нейтрино, имеют отличные от себя античастицы. Истинно нейтральные частицы полностью тождественны своим античастицам, поэтому все их квантовые числа, которые меняют знак при зарядовом сопряжении, должны быть равны нулю. Таким образом, истинные нейтральные частицы имеют нулевые значения электрического заряда, магнитного момента, барионного и лептонного чисел, изотопического спина, странности, очарования, прелести, истинности, цвета.