Физика элементарных частиц

1. Физика элементарных частиц

2. Элементарные частицы

Элементарные частицы – это частицы,
из которых состоят атомы различных веществ.
Элементарные частицы:
электрон,
протон,
нейтрон.
«Элементарный» подразумевает
первичный,
простейший,
неделимый,
неизменяемый.
Элементарные частицы – это первичные элементы.

3. Элементарные частицы

Атомы считались
элементарными частицами.
Атом не имеет заряда.
Резерфорд обнаружил,
что атомы «пустые»,
когда тонкую фольгу
бомбардировал α-частицами.
В атоме находится ядро.
атом – это оболочка ядра.
Ядро имеет заряд.
Ядро в 1000 раз меньше атома.
Атомные ядра – это элементарные
частицы.
В ядре существует заряженная
элементарная частица –
электрон:
притягивать,
удерживать.

4. История открытия элементарных частиц

Открытие электрона
0
1
29 апреля 1897 года
Джозеф Томсон
открыл электрон.
В 1899 году Джозеф Томсон
доказал
существование электрона.
Электрон – это элементарная
частица,
являющаяся материальным
носителем наименьшей массы и
наименьшего электрического
заряда в природе.
e

5. История открытия элементарных частиц

Открытие электрона
0
1
e
В 1909 году
Роберт Милликен
измерил заряд электрона:
qe = 1,602·10-19 Кл

6. История открытия элементарных частиц

Гейзенберг, Иваненко
предположили,
что ядра состоят из двух
элементарных частиц:
протона
и
нейтрона.
Гейзенберг
Иваненко

7. История открытия элементарных частиц

Открытие протона
1
1
p
В 1919 году
Эрнест Резерфорд
обнаружил
протон
при бомбардировке азота
α-частицами:
14 N + 4 He → 17 O + 1 p
7
2
8
1

8. История открытия элементарных частиц

Открытие нейтрона
1
0
n
В 1932 г. Джеймс Чедвик
открыл новую частицу,
не имеющую электрического
заряда,
– нейтрон.

9. История открытия элементарных частиц

Открытие позитрона
0
1
e
В 1928 г. Поль Дирак
предсказал позитрон.
В 1932 г. Карл Андерсон
открыл позитрон (е+ ),
фотографируя следы
частиц в камере Вильсона.
Позитрон рождается
в паре с электроном и
является античастицей
электрона.

10. История открытия элементарных частиц

Открытие
электронного нейтрино
Нейтрон распадается на
протон,
электрон,
«? – частица».
1
0
n 11 p 10 e 00? ~
«? – частица» обнаружена
по недостающей энергии.
Измерили энергию
электрона, протона, нейтрона,
оказалось,
что исчезает непонятная энергия.
1
0
n 11 p 10 e 00 ~
Паули предположил, что
исчезающая энергия – это
новая элементарная частица,
имеющая маленькую массу и
не имеющая электрического
заряда.
электронное нейтрино
(античастица)
Антинейтрино
Значит, существует нейтрино.

11. История открытия элементарных частиц

Открытие нейтрино
0
0
В 1931 г. Вольфганг Паули
предсказал нейтрино.
В 1956 г.Ф. Райнес и К. Коуэн
экспериментально
зарегистрировал
нейтрино («нейтрончик»)
и антинейтрино.

12. История открытия элементарных частиц

Открытие нейтрино
Антинейтрино появляется
при распаде нейтрона.
1
0
n p e ~
1
1
0
1
0
0
Нейтрино – это легкие
нейтральные частицы,
слабо взаимодействующие с
веществом.
1
1
p e n
0
1
1
0
0
0
e
~
e

13. История открытия элементарных частиц

Открытие фотона
γ
Альберт Эйнштейн
предположил,
что свет распространяется в
виде потока элементарных
частиц – фотонов.
Фотоны не имеют массы,
существуют только в движении
со скоростью 3·108 м/с.
Энергия фотона прямо
пропорциональна частоте ЭМВ
Е = h·ν.

14.

15.

16.

17.

18.

19. Выяснилось, что элементарные частицы не являются неизменными!

Опыты Резерфорда,
явление радиоактивности
показали,
что атомы не являются
простейшими неделимыми
частицами.
Важно!
1. Все элементарные частицы
способны
превращаться и изменяться.
2. Взаимные превращения –
это факт
существования частиц.

20. Открытие других элементарных частиц

Современная физика элементарных частиц.
1935 год – начало ФЭЧ, японский физик
Хидэки Юкава.

21. Открытие других элементарных частиц

Исследования частиц
показали,
что частицы нельзя считать
элементарными.
Почему?
Каждая частица при
взаимодействии с другими
частицами и атомными ядрами
может превращаться в новые
частицы.
Поэтому термин
«элементарная частица»
является условным.
Элементарные частицы
сталкиваются друг с другом
со скоростью света.
Сталкиваясь,
появляются новые частицы
с большей массой.
Обнаружено около 500
элементарных частиц.

22. Классификация элементарных частиц

В основе классификации ЭЧ лежит различия в массах покоя:
при обнаружении частиц сравнивают массу новой частицы с массой
предыдущей частицей.
Элементарные частицы сравнивают по массе.
Масса частицы учитывается при открытии (прогнозировании)
новой частицы.
Элементарные
частицы
Лептоны
легкие частицы
Мезоны
средние частицы
Барионы
тяжелые частицы
Фотон

23. Античастицы

Античастицы имеют все элементарные частицы.
Античастица – это частица, имеющая равную массу,
противоположный заряд,
противоположный спин.
Спин (от англ. spin – вращаться) – собственный момент количества
движения элементарной частицы.
Частица и античастица могут совпадать (мезон π0).
Если частица встречается с античастицей,
то происходит
аннигиляция – это взаимоуничтожение частиц.
Обе частицы исчезают, превращаясь в электромагнитное излучение.
e – + e+ = γ + γ = 2γ

24. Лептоны

Характеристика
Лептоны легкие частицы массой
меньше массы электрона:
m < 207mе .
Лептоны не участвуют во
взаимодействии.
Лептоны не имеют внутренней
структуры,
то есть элементарные
(неделимые).
Всего 12 групп:
лептоны и антилептоны.

25. Мезоны

В 1947 году в космических лучах
была открыта новая элементарная
частица – это К-мезон.
Космические лучи – это
излучение, приходящее к планете
Земля из космоса.
Состав космического излучения:
протоны,
электроны,
античастицы,
и некоторые странные частицы.
Три мезона - μ:
μ+
μ—
μ0
Частицы проявлялись
«странным образом».
Предположили,
что частицы обладают новым
свойством – это «странность».

26. Мезоны

В 1947 году в космических лучах
была открыта новая элементарная
частица – это К-мезон.
Космические лучи – это
излучение, приходящее к планете
Земля из космоса.
Состав космического излучения:
протоны,
электроны,
античастицы,
и некоторые странные частицы.
Три мезона - μ:
μ+
μ—
μ0
«Странность» мезонов:
нестабильные;
бесспиновые;
207mе < m < mp ;
сильно взаимодействующие:
с друг другом;
с барионами.
Существуют две группы мезонов:
π-мезоны;
К-мезоны.

27. Мезоны

Символ
Название частицы
анти
частицы
частицы
π-мезоны
Мезоны,
средние частицы
207mе < m < mp
К- мезоны
η-нуль-мезон
(эта-нуль-мезон)
π+
π0
π-
K0
K0
K
K
η0

28. Барионы

Характеристика
Барионы – это тяжёлые частицы
массой m > mp.
Барионы – это сильно
взаимодействующие частицы.
Барионы разделяют:
лёгкие барионы образовали
группу нуклонов:
протон,
нейтрон;
тяжёлые барионы – это гипероны.
Барион имеет античастицу:
антибарион.
Антибарион имеет
спин;
массу бариона;
противоположный заряд.
Антнбарионы делятся на
антинуклоны;
антигипероны.

29. Закон сохранения числа барионов

Закон:
Во всех процессах
происходящих в природе
разности общего числа
барионов и антибарионов
сохраняется.
Барион
возникает (исчезает)
в паре с антибарионом.
Значение закона
Стабильность ядра вещества.

30. Барионы

Символ
Название частицы
частицы
анти
частицы
Протон
p
p-
Нейтрон
n
n-
Лямбда-гиперон
Λ0
0
∑+
∑0
∑-
0
Кси-гиперон
Ξ0
Ξ-
0
Омега-минус-гиперон
Ω-
Барионы,
тяжелые частицы
Сигма-гиперон
m > mp

31.

Элементарные
частицы
Лептоны
Адроны
Мезоны
Фотон
Барионы
Мезоны и барионы образуют
группу адронов («сильные»).
Адроны участвуют в сильных
взаимодействиях.
Адроны не являются истинно
элементарными.
Адроны состоят из кварков.
Нуклоны
Гипероны

32.

История вопроса
В 1964 г. американские физики-теоретики
Джордж Цвейг и Мюррей Гелл-Манн
выдвинули гипотезу,
что адроны состоят из структурированных частиц:
тузы? бесы? кварки?
В 1969 г. экспериментально подтвердилось,
что «в свободном состоянии кварки не обнаружены»,
следовательно,
адроны имеют структуру – кварковая структура адронов.

33.

История вопроса
По совокупности косвенных «улик»,
кварки признаны реально существующими бесструктурными
частицами.
Кварки представляют истинно элементарные частицы!
Три вида кварков обозначены буквами
u (up – вверх),
d (down – вниз),
s (strange – странный).
Адроны теоретически строят из кварков трёх видов: u, d, s.

34. «кварк»

Слово «кварк»
заимствовано Гелл-Манном
из романа Дж. Джойса
«Поминки по Финнегану»
В одном эпизоде чайки кричат
фразу-каламбур:
«Three quarks for Muster Mark!»
«Три кварка для Мастера Марка!»

35. Классификация элементарных частиц

Космические лучи являются
источниками новых ЭЧ,
но ждать частицы из космоса –
бессмысленно!
Поэтому,
частицы начали
открывать на ускорителях –
адронный коллайдер.
Частицы называют греческими
буквами,
так появились:
ро-мезоны (ρ),
омега-мезоны (ω),
эта-мезоны (η),
кси-мезоны (ξ),
сигма-мезоны (Σ)
и другие ЭЧ.
Число частиц увеличивалось.
Возникла необходимость
классифицировать ЭЧ.

36. Свойство: угловой момент частиц

Частицы движутся.
Как?
Движение частиц представляет «вращающийся волчок».
Частицы вращаются с «некоторым» угловым моментом.
Описать угловой момент НЕВОЗМОЖНО!
Почему?
Угловой момент вращения трудно измерить –
поверхность частицы вращается со скоростью света.

37. Свойство: угловой момент частиц

Движение частиц описывает
квантовая механика.
Угловой момент квантуется,
то есть физическая величина
исчисляется
в некотором количестве.
Угловой момент ЭЧ:
бывает целым значением;
бывает полуцелым значением.
Угловые моменты ЭЧ назвали
магнетонами Бора –
элементарный магнитный момент.
Оказалось,
что частицы можно разделить
на два класса.

38. Свойство: угловой момент частиц

бозоны
фермионы
Частицы с целым угловым моментом.
Частицы-бозоны собираются в
большом количестве в совокупность.
Совокупность бозонов подчиняется
статистике Бозе-Эйнштейна.
π-мезоны, К-мезоны имеют спин 0 –
это бозоны.
Спин 1 имеет ρ-мезон – это бозон.
Квант света – это фотон, имеет спин 1,
тогда фотон – это бозон.
Частицы с полуцелым (дробным)
угловым моментом.
Частицы движутся «по-другому».
Частицы подчиняются статистике
Ферми-Дирака.
Спин электрона, протона, нейтрона
фермионы
1
2

39. Взаимодействие элементарных частиц

Частицы взаимодействуют между собой.
Взаимодействия:
электромагнитное,
ядерное взаимодействие:
сильное,
слабое.

40. Свойство: взаимодействие

Характеристики
Сила взаимодействия частиц
Частица, которая участвуют
во взаимодействии.
Радиус взаимодействия – это
расстояние между частицами.
Интенсивность взаимодействия,
которая определяется
константой взаимодействия –
безразмерный параметр,
определяющий силу
взаимодействия частиц.
Сила взаимодействия частиц
пропорциональна константе
взаимодействия А.
Вероятность взаимодействия
частиц пропорциональна А2 .

41.

Взаимодействие
Сильное
Константа
Радиус действия
взаимодействия
сил, м
1
10-15
Время
распада
(время
жизни), с
10-23
Константа А сильного взаимодействия принята за единицу.

42.

Взаимодействие
Сильное
Электромагнитное
Константа
Радиус действия
взаимодействия
сил, м
1
10-2
10-15
Время
распада
(время
жизни), с
10-23
10-16
Константа А сильного взаимодействия принята за единицу.
Константы остальных взаимодействий определяются
относительно сильного взаимодействия.
Константы зависят от энергии взаимодействующих частиц.

43.

Взаимодействие
Сильное
Электромагнитное
Слабое
Константа
Радиус действия
взаимодействия
сил, м
1
10-2
10-6
10-15
10-18
Время
распада
(время
жизни), с
10-23
10-16
10-8
Константа А сильного взаимодействия принята за единицу.
Константы остальных взаимодействий определяются
относительно сильного взаимодействия.
Константы зависят от энергии взаимодействующих частиц.

44.

Взаимодействие
Сильное
Электромагнитное
Слабое
Гравитационное
Константа
Радиус действия
взаимодействия
сил, м
1
10-2
10-6
10-38
10-15
10-18
Время
распада
(время
жизни), с
10-23
10-16
10-8
Константа А сильного взаимодействия принята за единицу.
Константы остальных взаимодействий определяются
относительно сильного взаимодействия.
Константы зависят от энергии взаимодействующих частиц.

45.

Взаимодействие
Сильное
Слабое
адроны
лептоны
мезоны
π, K, η
резонансы
барионы
нуклоны:
p, n
электрон e–
мюон μ–
таон τ
нейтрино: νе νμ ντ
гипероны:
Λ, Σ, Ξ, Ω,
резонансы
Резонансы – это частицы адроны,
время жизни меньше ядерного масштаба.
Переносчики
взаимодействия
γ (фотон),
W+, W-, Z0 (бозоны),
глюоны
Фотон переносит
электромагнитное
взаимодействие.
Бозоны переносят слабое
взаимодействие.
Глюоны переносят
сильное взаимодействие.

46.

Элементарные
частицы
Сильно
взаимодействующие:
адроны
Слабо
взаимодействующие:
лептоны
Переносчики
взаимодействий:
фотоны,
глюоны, гравитоны

47. Вывод:

Адроны не являются истинно элементарными частицами.
Адроны имеют структуру более мелких частиц –
фундаментальные частицы – кварки.
Кварки – это фундаментальные частицы, которые образуют
структуру адронов.
Вывод:
кварки,
лептоны,
частицы-переносчики взаимодействий –
это элементарные неделимые фундаментальные частицы.

48. Конец 1 части

49.

Взаимодействие
мезоны
π, K, η
резонансы
Сильное
адроны
барионы
нуклоны:
p, n
гипероны:
Λ, Σ, Ξ, Ω,
резонансы
Слабое
лептоны
электрон e–
мюон μ–
таон τ
нейтрино: νе νμ ντ
Переносчики
взаимодействия
γ (фотон),
W+, W-, Z0 (бозоны),
глюоны

50. Свойство: взаимодействие

Частицы, участвующие в сильных ядерных силах – адроны.
Адрон «жесткий» или «тяжелый».
Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях – это
тяжелые частицы.
Частицы, участвующие в слабых взаимодействиях.
Частицы не участвующие во взаимодействии – лептоны,
лёгкие частицы, «легкий».

51. Свойство: взаимодействие

лептоны
легкие частицы
адроны
тяжелые частицы

52.

Взаимодействие
Сильное
адроны
мезоны
барионы
π, K, η
резонансы
нуклон
ы: p, n
гипероны:
Λ, Σ, Ξ, Ω,
резонансы
Слабое
лептоны
электрон e–
мюон μ–
таон τ
нейтрино: νе νμ
ντ
Переносчики
взаимодейст
вия
γ (фотон),
W+, W-, Z0
(бозоны),
глюоны

53. Свойство: взаимодействие

фотоны
Частицы, которые связаны
взаимодействиями.
Фотон – частица относятся
к специальному классу –
переносчиков взаимодействий.
Фотон переносит взаимодействие
глюоны, гравитоны
промежуточные векторные
бозоны:
глюоны, гравитоны и …
новый класс частиц, связанных
с взаимодействиями.

54.

Все реакции, наблюдаемые между элементарными частицами, кром&
закона сохранения барионов, строго подчиняются законам сохранения:
энергии, импульса, момента количества движения и заряда. Кроме того,
все частицы с целым спином (в единицах λ) подчиняются статистике Б о з е —
Эйнштейна, и поэтому их называют бозонами (сюда относятся γ, π, ^ ) .
Все частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми — Дирака и называются фермионами (сюда относятся ν, с, μ, TV, У и их античастицы) .

55. Кварковая структура адронов

Барионы состоят из трех
кварков:
p= (u;u;d),
n= (u; d; d)
Мезоны состоят из кварка и
антикварка:
П+=(u; d )

56. Свойство частицы

Заряд частицы равен сумме зарядов кварков.
1
3
u
d
2
3
1
3
1
3
dd
2
3
uu
2
3

57. Строение вещества

Молекулы
Атом
Ядро, электрон
Протон, нейтрон
кварки
Квант (quantum – «сколько») – это
неделимая часть какой-либо
величины.
Физические величины принимают
определённые значения –
физическая величина
квантуется.
Оказалось, что частицы можно
разделить на два класса – частицы
имеют два разных названия.

58.

Одно из самых важных свойств сильного
взаимодействия — конфайнмент.
Конфайнмент — это пленение кварков внутри
адронов. Проявляется это в том, что чем
дальше кварк пытается отдалиться от
соседних кварков, тем сильнее между ними
притяжение.

59.

Первое поколение
Второе поколение
Третье поколение
Электрон/позитрон
мюон
таон
e – / e+
μ – /μ+
τ – /τ+
Нейтрино / антинейтрино
Электронное
мюонное
e / e
/
Тау
/

60. Открытие других элементарных частиц

В 1947 г. Юкава открыл
π- мезон,
который является
переносчиком сильного
взаимодействия и удерживает
нуклоны внутри ядра.
В 1955 г. открыт
антипротон.
В 1959 г. открыт
антинейтрон.

61. Лептоны

Символ
Масса
(в массах
электрона)
Заряд
(в зарядах
электрона)
Время жизни,
с
частица
античастица
Электронное
нейтрино
νе
−
νе
0
0
Стабиль
но
Мюонное
нейтрино
νμ
−
νμ
0
0
Стабиль
но
Тау- нейтрино
ντ
−
ντ
0
0
Стабиль
но
Электрон
е-
е+
1
-1
+1
стабилен
Мюон
μ-
μ+
207
-1
+1
2,2·10-6
Тау-лептон
τ-
τ+
3492
-1
+1
1,46·10-12
Название частицы

62.

Существует три поколения лептонов:
первое поколение: электрон, электронное нейтрино
•второе поколение: мюон, мюонное нейтрино
•третье поколение: тау-лептон, тау-нейтрино
(плюс соответствующие античастицы).
n p e
0
1

63. Группа мезоны состоит из 8 частиц.

Символ
Название частицы
Час
тицы
π0
π+ π-
Пи - мезоны
мезоны
( средние
частицы –
207me ‹ m‹
mp )
Ка - мезоны
Эта-нульмезон
анти
части
цы
К+
К0
η0
−
К0
К-
Масса
(в массах
электрона
)
Заряд
(в зарядах
электрона
)
Время
жизни, с
264,1
273,1
0
-1
1,83·
10-16
2,6·10-8
-1
Не
стабильн
ы
974,1
966,4
1074
1
0
1
0
2,4·10-19

64. Барионы

Группа барионы состоит из 18 частиц.
Легкие барионы – протон и нейтрон образуют группу нуклоны.
Тяжелые барионы – это гипероны.
Символ
Название частицы
Барионы
(тяжелые
частицы
m›mp)
частицы
Масса
(в массах
анти
частицы электрона)
Заряд
(в зарядах
электрона)
Время
жизни, с
Протон
p
p-
1836,1
Нейтрон
n
ñ
1838,6
0
103
Лямбдагиперон
Λ0
Λ-0
2183,1
0
2,63·10-10
Сигмагиперон
∑+
∑0
∑-
∑-+
∑-0
∑--
2327,6
2333,6
2343,1
Ξ0
Ξ-
Ξ-0
Ξ--
2572,8
2585,6
Ω-
Ω--
3273
Кси-гиперон
Омегаминусгиперон
1
-1
стабилен?
1
8·10-11
5,8·10-20
1,48·10-10
-1
1
2,9·10-10
1,64·10-10
-1
1
8,2·10-11
1
-1
0
-1
0