Елементарни частици: какво са, видове и основни свойства

Открийте елементарни частици: видове, кварки, лептони, бозони и свойствата им (маса, заряд, спин). Разберете Стандартния модел и ролята на бозона Хигс.

Във физиката елементарна частица или фундаментална частица е частица, която не е съставена от други частици.

Елементарната частица може да бъде от една от двете групи: фермион или бозон. Фермионите са градивните елементи на материята и имат маса, докато бозоните се държат като носители на сили за фермионните взаимодействия и някои от тях нямат маса. Стандартният модел е най-приетият начин за обяснение на поведението на частиците и на силите, които им влияят. Според този модел елементарните частици се групират допълнително на кварки, лептони и калибровъчни бозони, като бозонът наХигс има специален статут на некалибровъчен бозон.

От частиците, които изграждат атома, само електронът е елементарна частица. Протоните и неутроните се състоят от по 3 кварка, което ги прави съставни частици - частици, които са изградени от други частици. Кварките са свързани помежду си с глюони. В ядрото има бозонни пионни полета, които отговарят за силната ядрена сила, свързваща протоните и неутроните, срещу електростатичното отблъскване между протоните. Такива виртуални пиони са съставени от кваркови антикваркови двойки, отново държани заедно от глуони.

Има три основни свойства, които описват една елементарна частица: "маса", "заряд" и "спин". На всяко свойство се приписва числова стойност. За масата и заряда числото може да бъде нула. Например фотонът има нулева маса, а неутриното - нулев заряд. Тези свойства винаги остават едни и същи за дадена елементарна частица.

• Маса: Една частица има маса, ако е необходима енергия, за да се увеличи скоростта ѝ или да се ускори. В таблицата вдясно е дадена масата на всяка елементарна частица. Стойностите са дадени в MeV/c2s (което се изразява като мегаелектронволта над "c" на квадрат), т.е. в единици енергия над скоростта на светлината на квадрат. Това идва от специалната теория на относителността, която ни казва, че енергията е равна на масата, умножена по квадрата на скоростта на светлината. Всички частици с маса произвеждатгравитация. Всички частици се влияят от гравитацията, дори частиците без маса като фотона (вж. общата теория на относителността).
• Електрически заряд: Електрическият заряд на частиците може да е положителен, отрицателен или никакъв. Ако една частица има отрицателен заряд, а друга частица - положителен, двете частици се привличат една към друга. Ако и двете частици имат отрицателен заряд или и двете имат положителен заряд, двете частици се отблъскват една от друга. На малки разстояния тази сила е много по-силна от силата на тежестта, която привлича всички частици заедно. Електронът има заряд -1, а протонът има заряд +1. Неутронът има среден заряд 0. Нормалните кварки имат заряд ⅔ или -⅓.
• Спин: Ъгловият момент или постоянното въртене на една частица има определена стойност, наречена нейно спиново число. Спинът за елементарните частици е единица или ½. Свойството спин на частиците означава само наличието на ъглов момент. В действителност частиците не се въртят.

Масата и зарядът са свойства, които виждаме в ежедневието, тъй като гравитацията и електричеството влияят на нещата, които хората виждат и докосват. Но спинът влияе само на света на субатомните частици, така че не може да бъде наблюдаван пряко.

Видове фундаментални частици

Според Стандартния модел основните класи са:

• Кварки — шест „вкуса“ (up, down, charm, strange, top, bottom). Кварките имат дробни заряди (+2/3 или −1/3) и носят още свойство, наречено «цвят» (color), което е свързано със силното взаимодействие. Кварките не се срещат свободно в природата поради явлението конфайнмент; те са свързани в хадрони (например протон и неутрон са бариони, съставени от три кварка, а пионита са мезони — кварк+антикварк).
• Лептони — електронът, мюонът, тау-частицата и техните неутрина. Лептоните нямат цветен заряд и не участват в силното взаимодействие. Неутриното е много леко и почти не взаимодейства с материята; наблюдението на неутрини и откритието на неутринните осцилации (което показва, че неутрината имат маса) е важно постижение в съвременната физика.
• Калибровъчни бозони — частиците-носители на взаимодействията: фотонът (електромагнитно), глуоните (силно), W± и Z0 (слабо). Те имат цяло спиново число (1) и прилагат законите на калибровъчните теории.
• Хигсов бозон — специален некалибровъчен бозон, вече открит експериментално (LHC, 2012), свързан с механизмa, чрез който много фундаментални частици придобиват маса.

Основни свойства и техните последици

• Маса — масата се измерва в единици енергия (вж. MeV/c2). За ориентир: масата на електрона е ~0.511 MeV/c2, масата на протона (съставна частица) е ~938 MeV/c2. При елементарните частици „масата“ може да произхожда от взаимодействие с хигсовото поле (Хигс механизъм) или от динамични ефекти за съставни частици.
• Заряд — електрическият заряд съблюдава закона за запазване при повечето процеси; кварките носят дробни заряди, но в хадроните сумата от зарядите е цяло число. Съществуват и други видове заряд (цветен заряд при кварките), които се запазват в съответните взаимодействия.
• Спин и статистика — частици с полу-цели спинови стойности (½, 3/2 и т.н.) са фермиони и подчиняват принципа на Паули (не могат да заемат едно и също квантово състояние). Частици с цяло спиново число са бозони и могат да заемaт едно и също състояние (основата на явления като свръхпроводимост и Бозе–Айнщайнов кондензат).

Античастици и виртуални частици

Всяка елементарна частица има своя античастица със същата маса и противоположни заряди (където е приложимо). Взаимодействията в квантовата теория често се описват чрез виртуални частици — краткотрайни „носители“, които не са директно наблюдаеми, но оказват влияние върху процесите (фигури във Фейнмановите диаграми).

Силите и техните носители

• Електромагнитна сила — фотон (масовост: 0). Тя действа между заредени частици и е отговорна за химията и електрическите явления.
• Силно взаимодействие — глуони (8 вида), действа между кварките и задържа ядрата чрез остатъчната силна сила (посредствана от мезони като пиони).
• Слабо взаимодействие — W± и Z0 (масиoвити бозони), причинява бета-разпад и други преобразувания на вкуса/типа на частиците.
• Гравитация — в квантовия смисъл не е част от Стандартния модел; предполагаемият квантов носител е гравитонът, но той е хипотетичен и все още не е наблюдаван директно.

Експериментално изучаване

Елементарните частици се откриват и изучават чрез частици ускорители (например LHC), детектори (със следи, калориметри, честотен анализ), както и чрез наблюдение на космически лъчи и неутрино-детектори. Откриването на бозонът наХигс през 2012 г. е ярък пример за успеха на големите експериментални програми.

Защо това е важно

Разбирането на елементарните частици и техните взаимодействия дава отговори за структурата на материята, произхода на масата, еволюцията на Вселената и позволява развитие на технологии (например системи за медицинска образна диагностика, ускорителна техника и др.). Изследванията продължават: търсят се физики извън Стандартния модел (напр. тъмна материя, еднородни симетрии, обединяване на силите), както и по-точно измерване на свойствата на известните частици.

Ако желаете, мога да добавя кратка таблица с примерни стойности на масите и зарядите на основните елементарни частици (в MeV/c2 и елементарни единици заряд), или да развия темата за конкретна група частици (например кварки или неутрина).

Въпроси и отговори

В: Какво представляват елементарните частици?

В: Към колко групи принадлежат елементарните частици?

В: Какво представлява стандартният модел?

В: Как се групират елементарните частици според Стандартния модел?

Въпрос: Протоните и неутроните смятат ли се за елементарни частици?

В: Какви свойства описват елементарната частица?

В: Гравитацията влияе ли на всички видове частици, дори на тези без маса, като фотоните?

Търсене по буква