Фундаментальные взаимодействия. Барионы, мезоны и лептоны. Представление о Стандартной модели

1. Фундаментальные взаимодействия. Барионы, мезоны и лептоны. Представление о Стандартной модели.

2.

Фундаментальные взаимодействия, также
известные как фундаментальные силы, —
качественно различающиеся типы взаимодействия
элементарных частиц и составленных из них тел.

3.

На сегодня достоверно известно существование четырёх
фундаментальных взаимодействий (не считая поля
Хиггса):
гравитационного;
электромагнитного;
сильного;
слабого.
Электромагнитное и слабое взаимодействия являются
проявлениями единого электрослабого взаимодействия.

4.

Поле Хиггса, или хиггсовское поле, — поле,
обеспечивающее спонтанное нарушение симметрии
электрослабых взаимодействий благодаря нарушению
симметрии вакуума, названо по имени разработчика
его теории, британского физика Питера Хиггса.

5.

Квант этого поля — хиггсовская частица
(хиггсовский бозон).
Наличие хиггсовского поля является неотъемлемой
частью Стандартной модели (теории Вайнберга —
Салама), объединившей слабое и электромагнитное
взаимодействия. С помощью этого поля объясняется
наличие инертной массы частиц-переносчиков
слабого взаимодействия (W- и Z-бозоны) и
отсутствие массы у частицы-переносчика сильного
(глюон) и электромагнитного взаимодействия
(фотон).

6.

Роль Хиггсовского бозона в строении мира
заключается в том, что он даёт массу другим
элементарным частицам. Без него эти частицы были бы
безмассовыми, и мир, какой мы его знаем, был бы
значительно иным.
Открытие Хиггсовского бозона было значимым
достижением в физике, и его обнаружение было
объявлено в 2012 году на Большом адронном коллайдере
(БАК) в ЦЕРНе. Это подтвердило существование
Хиггсовского поля, которое заполняет всё пространство и
даёт частицам массу.

7.

Ведутся поиски других типов фундаментальных
взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в
космических масштабах, однако пока какого-либо
другого типа фундаментального взаимодействия
не обнаружено.
В теориях Великого объединения предполагается
существование электроядерного взаимодействия.
Возможно, нарушение CP-инвариантности
вызывается сверхслабым взаимодействием.

8. Сводная таблица фундаментальных взаимодействий

9.

Стандартная модель — это теоретическая конструкция в
физике элементарных частиц, описывающая
фундаментальные частицы и взаимодействия между ними.
Она объясняет три из четырех фундаментальных сил в
природе: электромагнитное, слабое и сильное
взаимодействия. Модель успешно предсказывает свойства
различных процессов, наблюдаемых в элементарных
частицах, и многократно подтверждена экспериментально.

10.

Основные компоненты Стандартной модели:
Фермионы: фундаментальные частицы, составляющие материю,
такие как кварки и лептоны.
Бозоны: переносчики взаимодействия, такие как фотоны, которые
отвечают за электромагнитные взаимодействия, и W и Z бозоны,
которые отвечают за слабые взаимодействия.
Квантовая хромодинамика (КХД):
Описывает сильное взаимодействие между кварками.
Квантовая электродинамика (КЭД):
Описывает электромагнитные взаимодействия.

11. Стандартная модель

12.

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных
частиц и теории, описывающие их взаимодействия.
Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны.

13.

Элементарные частицы – материальные объекты, которые нельзя
разделить на составные части.
В соответствии с этим определением к элементарным частицам
не могут быть отнесены молекулы, атомы и атомные ядра,
которые поддаются делению на составные части – атом делится на
ядро и орбитальные электроны, ядро – на нуклоны. В то же время
нуклоны, состоящие из более мелких и фундаментальных частиц –
кварков, нельзя разделить на эти кварки. Поэтому нуклоны относят
к элементарным частицам.
Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к
массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не
имеющие массы покоя, – фотоны.

14.

Общие характеристики элементарных частиц:
Масса (лёгкие, средние, тяжёлые) – выражают в массах
электрона;
Время жизни (стабильные, квазистабильные,
нестабильные) – время до распада;
Электрический заряд - кратный величине элементарного
электрического заряда;
Спин (собственный момент импульса частицы) –
произведение постоянной Дирака и спинового квантового
числа.

15. Элементарные частицы (в веществе):

Лептон – легкая частица, не участвующая в сильном
взаимодействии (электрон, мюон, нейтрино).
Электрон — это элементарная частица, которая имеет
отрицательный заряд и является основной
составляющей атома.
Мюон — часть семейства фермионов, неустойчивая
частица, которая имеет отрицательный электрический
заряд.

16. Элементарные частицы (в веществе):

Нейтрино — нейтральная фундаментальная частица с
полуцелым спином, участвующая только в слабом и
гравитационном взаимодействиях и относящаяся к классу
лептонов.
Кварк — бесструктурная элементарная частица и
фундаментальная составляющая материи.
Кварки объединяются в составные частицы, называемые
адронами, наиболее стабильными из которых являются
протоны и нейтроны, компоненты атомных ядер.

17. Элементарные частицы (в веществе):

Адрон – это элементарные частицы, участвующие в
сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях и
имеющие внутреннюю структуру, в отличие от
бесструктурных частиц (лептонов).
Мезон – средние частицы с массой в пределах от одной
до тысячи масс электрона.
Барион (фермион) – тяжелые частицы, чья масса
превышает тысячу масс электрона и в состав которых
входят протоны, нейтроны, гипероны.

18. Элементарные частицы (в веществе):

Нуклон — частица, являющаяся основной составляющей атомного
ядра. К нуклонам относятся только протоны и нейтроны.
Протон — элементарная положительно заряженная частица,
которая входит в состав атомных ядер.
Нейтрон - тяжелая частица, которая не имеет электрического
заряда.
Гиперон - тяжёлая нестабильная элементарная частица с массой,
большей массы нуклона (протона и нейтрона), обладающая
барионным зарядом и большим временем жизни по сравнению с
«ядерным временем».

19. Элементарные частицы (переносчики взаимодействия):

Фотон — элементарная частица, квант света в виде
электромагнитных волн. Во Вселенной является самой
распространенной частицей.
Бозон — частица или квазичастица с целым значением
спина, выраженного в единицах постоянной Дирака.
Бозоны, в отличие от фермионов, подчиняются
статистике Бозе — Эйнштейна, которая допускает, чтобы
в одном квантовом состоянии могло находиться
неограниченное количество одинаковых частиц.

20. Элементарные частицы (переносчики взаимодействия):

Глюон — элементарная безмассовая частица,
фундаментальный бозон, квант векторного поля,
переносчик сильного взаимодействия.
Гравитон — гипотетическая безмассовая элементарная
частица — переносчик гравитационного
взаимодействия и квант гравитационного поля без
электрического и других зарядов.

21.

Видео (дополнительно):
Физика 11 – диск 2 – 56. Элементарные частицы (16 мин).
Домашнее задание:
С 353-364 прочитать материал по изученной теме.
На следующем занятии будет текущий контроль по теме
«Квантовая физика. Атом и ядро».