Descoperirea particulelor elementare. Rezumat: Istoria descoperirii particulelor elementare Descoperirea mesajului a principalelor caracteristici ale particulelor elementare

O particulă elementară este considerată a fi o particulă primară sau necompunabilă din care este compusă toată materia. Cu toate acestea, în fizica modernă, termenul „particulă elementară” este folosit pentru a denumi un grup mare de particule minuscule de materie. Acest grup include protoni, neutroni, electroni, fotoni, pi-mezoni, muoni, leptoni grei, trei tipuri de neutrini, particule ciudate (K-mezoni, hiperoni), diverse rezonanțe, particule „fermecate”, particule upsilon, particule „frumoase”. , bosoni intermediari (W ± , Z 0). Există mai mult de 500 de particule în total. Particulele care pretind a fi elementele primare ale materiei se numesc „ adevărate particule elementare» .

În istoria științei, prima particulă descoperită a fost electron– un purtător de sarcină electrică negativă. Electronul a fost descoperit pentru prima dată de fizicianul englez Joseph Thomson,în 1897. În 1919, fizicianul englez Ernest Rutherford descoperit proton– o particulă care face parte din nucleele atomice cu o sarcină pozitivă și o masă de 1840 de ori mai mare decât masa unui electron. O altă particulă care face parte din nucleu este neutroni, a fost descoperit în 1932 de către fizicianul englez James Chadwick. Ideea fotonului ca particulă provine din munca fizicianului german Max Scândură, care în 1900 a prezentat presupunerea că energia radiației electromagnetice este cuantificată. În dezvoltarea ideii lui Planck, Einsteinîn 1905 a stabilit că radiația electromagnetică este un flux de cuante individuale ( fotonii) și pe această bază a explicat legile efectului fotoelectric. Dovezile experimentale directe ale existenței fotonului au fost realizate de fizicienii americani Robert Millikan (1912) și A. Compton(1922).

Existenţă neutrini sugerat mai întâi de Wulfgang Pauli(1930), iar neutrinul electronic a fost descoperit experimental abia în 1962 de către fizicienii americani F. Reines și K. Cone. Prima antiparticulă descoperită este Pozitron cu masa unui electron, dar cu sarcină electrică pozitivă. A fost descoperit în compoziția razelor cosmice de către fizicianul american K. Anderson în 1953. În 1946, Anderson și Neddermeyer (SUA) l-au descoperit în compoziția razelor cosmice. muonii cu ambele semne de sarcină electrică (µ - și µ +). Muonii au o masă de aproximativ 200 de ori mai mare decât masa unui electron, iar proprietățile lor rămase sunt apropiate de cele ale unui electron și ale unui pozitron. În 1947, fizicienii americani sub conducerea lui S. Powell au descoperit π ־ și π + - în compoziția razelor cosmice mezonii. Existența unor astfel de particule a fost sugerată de un fizician japonez H. Yukawaîn 1935. La începutul anilor 50. a fost descoperit un grup mare de particule cu proprietăți neobișnuite, numite „ ciudat." Primele particule din acest grup - K ־ și K + - mezoni, Λ - hiperoni au fost descoperite ca parte a razelor cosmice. Descoperirile ulterioare de particule „ciudate” au fost făcute folosind acceleratori de particule încărcate. De la începutul anilor 50. acceleratoarele au devenit instrumentul principal pentru cercetarea CE. În 1955 a fost deschis antiproton, 1956 - antineutron, 1960 – antisigma hiperon, iar în 1964 - cel mai greu hiperon - . În 1960, acceleratoarele au descoperit particule rezonante. Sunt instabile și foarte numeroși, prin urmare formează cea mai mare parte a CE.

În 1962, oamenii de știință au descoperit că există două specii diferite neutrini: electron și muon. În 1974, masiv și în același timp relativ stabil” fermecat» particule (D 0, D +, F + etc.). În 1975, un analog greu al electronului și muonului (τ - lepton), în 1981 – „ frumoasa» particule, iar în 1983 – bozoni intermediari(W ± și Z 0).

Astfel, s-a stabilit că lumea CE este foarte complexă și diversă. Dintre particulele elementare, electronul este cel mai cunoscut și utilizat. Totul a început cu faptul că, trecând un curent printr-un electrolit, Faraday a măsurat cantitatea de substanțe eliberate pe electrozi și a ajuns la ideea că în natură există cea mai mică sarcină electrică, egală cu sarcina unui ion de hidrogen.

Fizicianul englez J. Stoney a venit cu un nume special pentru cea mai mică sarcină electrică - „ electron" De la mijlocul secolului al XIX-lea, fizicienii au început să experimenteze cu descărcări electrice în tuburi speciale de sticlă cu electrozi etanșați în pereți. Când gazul a fost pompat, curentul din circuit nu s-a oprit când catozii au fost încălziți. Acest curent a fost însoțit de o strălucire frumoasă și misterioasă. Este clar că curentul nu poate curge prin gol. Se numește transferul de energie electrică de la catod la anod raze catodice. fizicianul englez Joseph Thomson a stabilit natura razelor catodice și a demonstrat experimental că razele catodice sunt un flux de particule minuscule încărcate negativ. El, plasând un tub de sticlă într-un câmp magnetic, a examinat abaterea razelor catodice de la o linie dreaptă și a descoperit că raportul sarcină/masă (e/m e) al electronilor este de o mie de ori mai mare decât același raport pentru ionii de hidrogen. (e/m n) stabilit anterior de Faraday.

Thomson, acceptând cu îndrăzneală ipoteza că electronii și ionii de hidrogen poartă aceeași sarcină elementară, a ajuns la concluzia că electronii au o masă neglijabilă în comparație cu atomii. A apărut îndoiala cu privire la indivizibilitatea atomului. Descoperit de Henri Becquerel radioactivitatea atomilorîn 1896 a zdruncinat în cele din urmă afirmațiile despre indivizibilitatea atomului. La începutul secolului al XX-lea, Ernest Rutherford a demonstrat că dintre cele trei tipuri de raze - , β și γ, emise de radiu, razele β - sunt aceiași electroni pe care i-a văzut Thomson.

Întrebări pentru autocontrol

1. Ce sunt particulele elementare?

2. Câte particule elementare au fost stabilite de știință?

3. Ce particule sunt numite „adevărate particule elementare”

4. Care particulă este prima particulă descoperită din istoria științei?

5. Cine a descoperit electronul și când?

6. Cine a descoperit protonul și când?

7. Cine a descoperit neutronul și când?

8. Cine a descoperit fotonul și când?

9. Cine și când a sugerat existența neutrinilor?

10. În ce an au fost descoperiți experimental neutrinii?

11. Cine și când a descoperit prima antiparticulă de pozitroni?

12. Cine și când a sugerat existența mezonilor?

13. În ce ani a fost descoperit un grup mare de așa-numite particule „ciudate”?

14. În ce an au fost descoperite particule „vrăjite”?

15. În ce an au fost descoperite particulele „frumoase”?

16. În ce an au fost descoperite particule cunoscute sub numele de „bosoni intermediari”?

17. Cine și când a descoperit radioactivitatea atomilor?

Descoperirea particulelor elementare a fost un rezultat firesc al succeselor generale în studiul structurii materiei realizate de fizică la sfârșitul secolului al XIX-lea.

A fost pregătit prin studii cuprinzătoare ale spectrelor optice ale atomilor, studiul fenomenelor electrice în lichide și gaze, descoperirea fotoelectricității, a razelor X și a radioactivității naturale, care au indicat existența unei structuri complexe a materiei.

Din punct de vedere istoric, prima particulă elementară descoperită a fost electronul, purtătorul sarcinii electrice elementare negative în atomi. În 1897, J. J. Thomson a descoperit că razele catodice sunt produse de un flux de particule minuscule numite electroni.

În 1911, E. Rutherford, trecând particule alfa dintr-o sursă radioactivă naturală prin folii subțiri de diferite substanțe, a descoperit că sarcina pozitivă din atomi este concentrată în formațiuni compacte - nuclee, iar în 1919 a descoperit protoni printre particulele eliminate din atom nuclee - particule cu o sarcină pozitivă unitară și o masă de 1840 de ori masa unui electron. O altă particulă care face parte din nucleu, neutronul, a fost descoperită în 1932 de J. Chadwick în timp ce studia interacțiunea particulelor a cu beriliul. Un neutron are o masă apropiată de cea a unui proton, dar nu are sarcină electrică. Descoperirea neutronului a finalizat identificarea particulelor - elementele structurale ale atomilor și nucleele acestora.

Concluzia despre existența unei particule dintr-un câmp electromagnetic - un foton - provine din lucrarea lui M. Planck (1900). Presupunând că energia radiației electromagnetice dintr-un corp absolut negru este cuantificată, Planck a obținut formula corectă pentru spectrul radiațiilor. Dezvoltând ideea lui Planck, A. Einstein (1905) a postulat că radiația electromagnetică (lumina) este de fapt un flux de cuante individuale (fotoni) și pe această bază a explicat legile efectului fotoelectric. Dovezile experimentale directe ale existenței fotonului au fost date de R. Millikan (1912-1915) și A. Compton (1922).

Descoperirea neutrinului, o particulă care interacționează greu cu materia, datează de la presupunerea teoretică a lui W. Pauli (1930), care, datorită presupunerii nașterii unei astfel de particule, a făcut posibilă eliminarea dificultăților cu legea conservării energiei în procesele de dezintegrare beta a nucleelor ​​radioactive. Existența neutrinilor a fost confirmată experimental abia în 1953 (F. Reines și K. Cowan, SUA).

Din anii 30 până la începutul anilor 50. studiul particulelor elementare a fost strâns legat de studiul razelor cosmice. În 1932, K. Anderson a descoperit un pozitron (e+) în razele cosmice - o particulă cu masa unui electron, dar cu o sarcină electrică pozitivă. Pozitronul a fost prima antiparticulă descoperită. Existența lui e+ a urmat direct din teoria relativistă a electronului, dezvoltată de P. Dirac (1928-31) cu puțin timp înainte de descoperirea pozitronului. În 1936, fizicienii americani K. Anderson și S. Neddermeyer au descoperit, în timp ce studiau razele cosmice, muonii (ambele semne de sarcină electrică) - particule cu o masă de aproximativ 200 de mase de electroni, dar în rest surprinzător de apropiate ca proprietăți de e-, e+.

În 1947, tot în raze cosmice, grupul lui S. Powell a descoperit mezonii p+ și p- cu o masă de 274 de mase de electroni, care joacă un rol important în interacțiunea protonilor cu neutronii din nuclee. Existența unor astfel de particule a fost sugerată de H. Yukawa în 1935.

Sfârșitul anilor 40 - începutul anilor 50. au fost marcate de descoperirea unui grup mare de particule cu proprietăți neobișnuite, numite „ciudate”. Primele particule din acest grup, mezonii K+- și K-, hiperonii L-, S+ -, S- -, X-, au fost descoperite în raze cosmice, descoperirile ulterioare de particule ciudate au fost făcute la acceleratori - instalații care creează fluxuri intense de protoni si electroni rapizi. La ciocnirea cu materia, protonii și electronii accelerați dau naștere la noi particule elementare, care devin subiect de studiu.

De la începutul anilor 50. acceleratorii au devenit instrumentul principal pentru studierea particulelor elementare. În anii 70 Energiile particulelor accelerate în acceleratoare s-au ridicat la zeci și sute de miliarde de electronvolți (GeV). Dorința de a crește energiile particulelor se datorează faptului că energiile înalte deschid posibilitatea de a studia structura materiei la distanțe mai scurte, cu atât mai mare este energia particulelor care se ciocnesc. Acceleratoarele au crescut semnificativ rata de obținere a datelor noi și, în scurt timp, ne-au extins și îmbogățit cunoștințele despre proprietățile microlumii. Utilizarea acceleratoarelor pentru a studia particulele ciudate a făcut posibilă studierea mai detaliată a proprietăților acestora, în special a caracteristicilor dezintegrarii lor, și a condus în curând la o descoperire importantă: elucidarea posibilității de a schimba caracteristicile unor microprocese în timpul funcționării oglinzii. reflecție - încălcarea spațiilor, paritate (1956). Punerea în funcțiune a acceleratoarelor de protoni cu energii de miliarde de electroni volți a făcut posibilă descoperirea de antiparticule grele: antiproton (1955), antineutron (1956), hiperoni anti-sigma (1960). În 1964, a fost descoperit cel mai greu W-hiperon (cu o masă de aproximativ două mase de protoni). În anii 1960 La acceleratoare, au fost descoperite un număr mare de particule extrem de instabile (comparativ cu alte particule elementare instabile), numite „rezonanțe”. Masele majorității rezonanțelor depășesc masa unui proton. Primul dintre acestea, D1, este cunoscut din 1953. S-a dovedit că rezonanțe alcătuiesc cea mai mare parte a particulelor elementare.

În 1962, s-a descoperit că există doi neutrini diferiți: electroni și muoni. În 1964, așa-numita non-conservare a fost descoperită în dezintegrarea mesonilor K neutri. paritatea combinată (introdusă de Li Tsung-dao și Yang Zhen-ning și independent de L.D. Landau în 1956), adică necesitatea revizuirii opiniilor obișnuite asupra comportamentului proceselor fizice în timpul operațiunii de reflecție a timpului.

În 1974, au fost descoperite particule y masive (3-4 mase de protoni) și, în același timp, relativ stabile, cu o viață neobișnuit de lungă pentru rezonanțe. S-au dovedit a fi strâns legate de o nouă familie de particule elementare - cele „fermecate”, primii reprezentanți (D0, D+, Lc) au fost descoperiți în 1976. În 1975, au fost obținute primele informații despre existența unei analog greu al electronului și muonului (leptonul greu t). În 1977, au fost descoperite particule Ў cu o masă de aproximativ zece mase de protoni.

SI ACCELERATOARE

1. Noi tendințe în fizica particulelor

2. Acceleratoarele de particule încărcate sunt instrumentul principal pentru studierea lumii materiale (arsenal modern de acceleratoare)

3. Cooperarea internațională a oamenilor de știință este un factor de stabilitate

proiecte științifice. JINR - un exemplu de cooperare

Concluzie

DEZVOLTAREA FIZICII DE ÎNALTE ENERGII

SI ACCELERATOARE

1. NOI TENDINȚE ÎN FIZICĂ

PARTICILE ELEMENTARE

1.1. Ce este fizica energiilor înalte și puțină istorie Fizica particulelor (sau, ceea ce este identic astăzi, fizica energiei înalte) studiază natura la distanțe foarte scurte cu scopul de a explora componentele fundamentale ale materiei și interacțiunile lor.

Pătrunderea în adâncurile materiei necesită energii din ce în ce mai mari ale particulelor care se ciocnesc, deoarece, datorită principiului incertitudinii, există o anumită legătură între energie și distanțe (precum și timpi caracteristici) la care au loc procesele în microlume.

Principiul incertitudinii este o lege fundamentală a teoriei cuantice, care afirmă că așa-numitele mărimi fizice suplimentare care caracterizează un sistem fizic (de exemplu, coordonatele și impulsul, energia și timpul) nu pot lua simultan valori exacte (px, unde este constanta lui Planck). Aceasta reflectă natura duală, particule-undă a particulelor elementare (proprietățile undei ale materiei au fost descoperite în 1924 de fizicianul francez Louis de Broglie).

Trecerea la energii tot mai înalte a fost întotdeauna însoțită de descoperirea unor fenomene fizice fundamental noi.

Pentru a ne face o idee despre legătura dintre domeniile fizicii și scara spațială și energetică, să ne amintim la ce distanțe și la ce energii apar anumite fenomene fizice:

fizica moleculara - 105 107 cm, energie 1 eV – 1 keV;

fizica atomică, antimaterie - 1011 cm, energie 10 MeV;

fizica nucleara - 1013 cm, energie 100 MeV - 1 GeV;

* Școala Internațională de Tineri Oameni de Știință „Probleme de accelerare a particulelor încărcate”, Dubna, 2-9 septembrie. 1996 Dubna, 1997. p. 5–37.

Dezvoltarea fizicii de înaltă energie și a acceleratorilor fizicii de înaltă energie, interacțiuni puternice, așa-numita fizică hadronică - 1013 1015 cm, energii 10–100 GeV;

fizica energiilor „ultra-înalte”, procese la distanțe ultrascurte mai mici de 1015 cm, energii mai mari de 100 GeV.

Astăzi, cercetătorii au acces la energii de ordinul a 1 TeV.

În fig. 1 prezintă scalele caracteristice ale distanțelor, timpului și energiei.

Doar axa din (energie) ar trebui răsturnată, deoarece energii din ce în ce mai mari corespund unor intervale de timp caracteristice tot mai mici și intervale spațiale tot mai mici pe care se desfășoară evenimentele în microlume.

Astăzi ne aflăm la nivelul „masei bosonilor W-, Z” (pe scara de energie), „durata de viață a stărilor rezonante” (scala de timp), „distanțele dintre quarci” (scala distanței).

Este izbitor faptul că în ultimul secol s-au realizat progrese cu adevărat gigantice în fizica particulelor elementare și a nucleului atomic.

Orez. 1. Scări ale distanțelor (a), timpului (b) și energiilor (c) în fizica nucleelor ​​și particulelor 86 Prelegeri despre fizica particulelor Fizica nucleară și-a început numărătoarea inversă cu câțiva ani înainte de începutul secolului al XX-lea: cu exact o sută de ani în urmă , în 1896. , a fost descoperit faimosul fenomen de radioactivitate. Vorbind despre fenomenul radioactivității, nu se pot nu menționa numele: fizicianul englez Ernest Rutherford - unul dintre creatorii (împreună cu compatriotul său Frederick Soddy) ai teoriei dezintegrarii radioactive (1903), creatorul modelului planetar al atomului. (1911); Oamenii de știință francezi Pierre și Marie Curie, care au adus contribuții fundamentale la cercetarea radioactivității;

descoperitorul radioactivității, fizicianul francez Antoine Henri Becquerel.

În 1897, electronul a fost descoperit (de către omul de știință englez Joseph John Thomson), adică a fost găsită una dintre cele mai importante componente ale atomului.

În 1932 a fost descoperit neutronul (de către fizicianul englez James Chadwick), adică a fost determinată una dintre componentele nucleului atomic.

Cercetările intensive în domeniul fizicii energiilor înalte au început în anii 1950, după crearea unor acceleratoare eficiente de particule încărcate.

Astfel, în lanțul principalelor componente ale materiei (materia constă din molecule, o moleculă este formată din atomi, un atom - din electroni și nuclee atomice, un nucleu atomic este format din nucleoni - protoni și neutroni, un nucleon - din quarci.. .) o parte semnificativă a legăturilor „au apărut „de fapt, sub ochii generațiilor recente de cercetători.

Permiteți-mi să remarc încă o dată că datorită acceleratoarelor cu fascicule de particule de foarte mare energie (aceste „supermicroscoape” pentru studierea microlumii) au devenit posibile studiile materiei la distanțe atât de mici*. În ultimii ani, a existat o pătrundere reciprocă între fizica pe distanțe scurte și studiul proprietăților macrostructurilor Universului. Aceasta este o manifestare a unității dintre fizica energiilor înalte și astrofizica.

Când se definește ce este fizica energiilor înalte, este adesea citată o declarație a lui Abdus Salam. El a spus că anterior această știință era realizată de o „troika”, constând din: 1) teorie, 2) experiment, 3) acceleratoare și detectoare. Apoi încă doi „cai” au fost prinși de „troika”:

4) cosmologie timpurie, care descrie Universul din 1043 s după originea sa și până la expirarea primelor trei minute, 5) matematică pură.

Să încercăm, folosind „schema Salam”, să urmărim tendințele actuale în dezvoltarea fizicii particulelor elementare.

* Sincer, permiteți-mi să vă reamintesc că informații importante despre microcosmos au fost obținute folosind detectoare de la sol, de suprafață și „satelit” (cu dispozitive computerizate) în studiul razelor cosmice, precum și prin utilizarea instalațiilor de reactoare.

Dezvoltarea fizicii de înaltă energie și a acceleratoarelor 1.2. Idei teoretice despre structura particulelor Astăzi știm, pe baza descoperirilor experimentale și a construcțiilor teoretice, că electronii, protonii și neutronii care alcătuiesc materia din jurul nostru (adică, atomii materiei) nu sunt, în general vorbind, „cladirea” elementară. blocuri ale universului.”

Doar electronii sunt descriși astăzi ca particule elementare punctiforme. Protonii și neutronii sunt „făcuți” din constituenți mai fundamentali numiți quarci.

Interacțiunile puternice * sunt descrise de teoria fundamentală a quarcilor și gluonilor - cromodinamica cuantică (QCD). În această teorie, gluonii sunt purtători de interacțiuni puternice care rețin quarcii în protoni și neutroni (efectul de „confinare”). Această teorie poate fi utilizată eficient pentru a studia cele mai multe fenomene observate în fizica interacțiunilor puternice.

Alte forțe, electromagnetice și slabe, par cu totul diferite. Cu toate acestea, astăzi știm că sunt manifestări ale unei singure teorii electroslăbice (Glashow, Weinberg, Salam). Leptonii sunt „componentele de bază ale universului” în sectorul electroslab. Purtătorii interacțiunilor electroslabe sunt doi bosoni intermediari (W, Z) și un foton ().

Teoria electroslăbită unificată și QCD (numit în general modelul standard - SM) determină interacțiunile particulelor elementare (quarci și leptoni) pe o scară de până la 1016 cm.

Al treilea, pe lângă cel puternic și electroslab, dintre tipurile cunoscute de interacțiuni - gravitaționale - rămâne în afara cadrului modelului standard. Această interacțiune este strâns legată de ideile noastre despre spațiu și timp. După cum se știe, spațiul și timpul, în cadrul teoriei speciale a relativității, acționează împreună ca o lume unică cu 4 dimensiuni.

În teoria generală a relativității, geometria acestei lumi 4-dimensionale este indisolubil legată de câmpul gravitațional. O serie de „speculații” interesante pe tema „non-unicității” lumii pe care le observăm există nu numai în science fiction, ci și în construcțiile științifice teoretice.

Aș dori să observ că depășirea modelului standard este explorată în mai multe direcții astăzi. Despre ele vom vorbi mai jos.

Cu toate acestea, a XXVIII-a Conferință Internațională (Rochester) privind fizica energiilor înalte, desfășurată în iulie 1996 la Varșovia, a declarat că modelul standard este în concordanță cu toate datele experimentale disponibile în prezent.

Particulele care interacționează puternic sunt numite hadroni.

Așadar, astăzi știm că în spațiu-timpul nostru cu 4 dimensiuni, plin cu fermioni punctiformi* (leptoni și quarci) cu o precizie de 1016 cm, există trei tipuri de interacțiuni cauzate de purtători speciali: gluoni, bozoni W și Z. și gravitonii ipotetici.

1.3. Câteva realizări experimentale Scopul principal al majorității experimentelor din ultimii câțiva ani a fost acela de a efectua teste tradiționale ale modelului standard la diferite acceleratoare, dar în primul rând la LEP (CERN) și colizorul SLAC e+ e. Aproape toate măsurătorile sunt de acord cu modelul standard cu o precizie uimitoare de 1%.

Înainte de a comenta unele dintre rezultatele experimentale uimitoare ale acestor studii, să aranjam „blocurile de construcție ale universului” sub forma unui tabel (vezi Tabelul 1).

Astfel, una dintre cele mai mari realizări ale ultimilor doi ani a fost descoperirea quarcului de top (t). Acesta a fost ultimul dintre quarcii neobservați care formează baza modelului standard. Masa stabilită (aproape 200 GeV) a fost corect estimată prin metode indirecte (LEP). Descoperirea cuarcului de top a fost făcută la Hadron Collider de la FNAL folosind două rețele mari de detectoare (CDF și D0) folosind tehnici sofisticate de procesare pentru a izola evenimente rare. Aici este dezvăluită o altă caracteristică importantă a acceleratoarelor moderne de particule încărcate, care, pe lângă energiile mari, oferă și intensități mari (luminozități în cazul ciocnitorilor):

Faptele experimentale indică faptul că sistemele cu spin întreg (bosoni) respectă legile statisticii Bose-Einstein, iar sistemele cu spin semiîntreg (fermioni) respectă legile statisticii Fermi-Dirac. În fizica matematică, a fost dovedită o teoremă care leagă spinul de statistică.

adică numărul de particule care zboară pe unitate de timp printr-o unitate de suprafață. Luminozitățile ridicate fac posibilă studierea proceselor rare (creșterea probabilității de observare a acestora). Termenul „fabrică” este folosit pentru accelerarea mașinilor cu luminozitate mare (-fabrică, c--fabrică, B-fabrică, Z-fabrică...).

Cercetările experimentale și înțelegerea teoretică a fizicii cuarcului t de astăzi (și de mâine) se reduc la a răspunde la întrebările: de ce este cuarcul t atât de greu? Care sunt proprietățile sale?

Experimentul urmărește, de asemenea, să măsoare cu precizie masa cuarcului superior.

Ceva mai devreme (începutul anilor 90) la complexul accelerator LEP s-a stabilit că în stadiul actual de cunoaștere avem de-a face cu trei generații de particule. Masa și lățimea totală a bosonului Z 0 au fost măsurate cu mare precizie, ceea ce a făcut posibilă stabilirea numărului de canale de dezintegrare a neutrinului Z 0 și determinarea numărului de generații.

Misterele pentru experimentele viitoare în fizica energiilor înalte sunt următoarele întrebări: câte familii (generații) există în natură? Cuarcii și leptonii au structură (la distanțe mai mici de 1016 cm)?

Aceste întrebări aparțin categoriei problemelor fundamentale clasice ale fizicii microlumilor. Ei au stabilit direcția pentru a depăși înțelegerea noastră actuală.

Să ne întoarcem puțin înapoi și să explicăm rolul generațiilor de particule elementare.

Toți atomii, adică elementele chimice, aproximativ vorbind, constau din u-, d-quarks și electroni. Neutrinul electron e nu face parte din atomi, dar participă la ciclul proton-proton al reacțiilor nucleare care au loc în adâncurile Soarelui și asigură „arderea acestuia”.

Fermionii de generația II și III sunt analogii ponderați ai u, d, e și e și se crede că au jucat un rol important în dinamica Universului timpuriu. În epoca modernă, ele apar în procesele generate de razele cosmice și în ciocnirile de particule din acceleratoarele moderne.

Quarcii, spre deosebire de leptoni, se caracterizează prin culoare - o variabilă discretă care ia trei valori. Această variabilă a fost introdusă în 1965 de către Bogolyubov, Struminsky, Tavkhelidze, Khan și Nambu pentru a păstra principiul Pauli în modelul cuarc al hadronilor.

O altă proprietate misterioasă a quarcilor este fracționalitatea sarcinilor lor electrice Q. Q = 2/3e pentru quarcii u, c, t și Q = 1/3e pentru d, s și b. Leptonii „incolori” sunt fie neutri din punct de vedere electric (toți neutrinii), fie au o sarcină Q = e (e, µ și).

Ultimii 2-3 ani au adus o mulțime de lucruri noi în înțelegerea funcției structurii nucleonilor la momente de transfer foarte mari q (e p-colider HERA, DESY etc.), ceea ce clarifică structura hadronilor. Înțelegerea semnificativă a fizicii quarcilor grei (cuarcii b) a fost obținută prin experimente la instalația CLEO de la Cornell și altele.

În programele experimentale ale CERN, BNL și JINR, ciocnirile nucleu-nucleu la energii mari ocupă un loc semnificativ. Acest domeniu de cercetare își propune să detecteze manifestări ale interacțiunilor quarc-gluon în timpul coliziunilor nucleare și oferă, de asemenea, informații noi despre structura materiei (efect cumulativ, plasmă quarc-gluon etc.).

Este foarte dificil în timpul limitat al prelegerii să faci o imagine de ansamblu completă a realizărilor din ultimii ani. Selecția de exemple (parțial subiective) a fost menită să ofere o idee generală a tendințelor în fizica energiilor înalte. Urmând „schema” lui Salam, să trecem la fundalul matematic al modelului standard, lăsând deoparte deocamdată misterele cosmologiei timpurii și starea arsenalului accelerator al fizicii moderne a particulelor.

1.4. O viziune matematică asupra fizicii moderne a energiei înalte și apariția unor noi mistere Când vorbim despre influența matematicii pure asupra dezvoltării fizicii de înaltă energie, trebuie să înțelegem că vorbim despre aprofundarea și îmbunătățirea aparatului matematic al teoriei particulelor. Anterior, teoria grupurilor pur matematică, metodele fizicii matematice și multe alte teorii matematice au devenit acum, printre altele, aparatul și limbajul pentru fizicieni.

În termeni matematici, SM este o teorie a câmpului cuantic gauge (cu toate avantajele și dezavantajele sale, cum ar fi divergențele și renormalizările) cu un grup de simetrie. Teorii Gauge sunt remarcabile prin faptul că fixează aproape fără ambiguitate structura interacțiunii Lagrangiane.

În acest caz, purtătorii de interacțiune sunt particule vectoriale, al căror număr este egal cu numărul de parametri ai grupului de simetrie.

Aceste particule nu au nicio structură compozită, adică.

sunt la fel de elementare ca, de exemplu, quarcii și leptonii.

Grupul (1) depinde de 8+3+1 = 12 parametri. Numărul opt corespunde factorului SU(3)C, grupul de simetrie a culorii care stă la baza QCD. Octetul corespunzător de bozoni vectoriali, numiți gluoni, mediază interacțiunile dintre quarcii de culoare.

Simetria SU(3)C este considerată exactă, iar gluonii sunt considerați fără masă.

S-a stabilit că la distanțe scurte (la momente mari transferate), interacțiunea efectivă quarc-gluon scade („libertate asimptotică”). Prin urmare, în acest domeniu, este posibil să se aplice aparate de teorie a perturbațiilor, de exemplu, tehnica diagramei Feynman, pentru calcule și să se obțină predicții cantitative fiabile.

La distanțe de 1013 cm, forțele cromodinamice ar trebui să fie mari, fie și numai pentru că trebuie să lege quarcii în hadroni și să asigure interacțiunea „puternică” a acestora din urmă. Teoria perturbației nu este aplicabilă în acest caz. „QCD la distanță lungă”, așa cum este de obicei numită teoria interacțiunilor quarc-gluon în acest domeniu, face obiectul unor cercetări intense, atât teoretic, cât și experimental. Problema numărul unu, care a fost o provocare totală pentru teoreticieni de mulți ani, poate fi considerată soluția mecanismului de izolare, adică explicația motivului izolării quarcilor în interiorul hadronurilor și imposibilitatea existenței lor într-o stare liberă. .

Să ne întoarcem acum la teoria interacțiunilor electroslabe (EWI) în cadrul modelului standard. Această teorie a fost formulată de Weinberg, Salam și Glashow. Grupul de simetrie al indicatorului ESP include al doilea și al treilea factor din (1):

și este specificat, în consecință, de numărul de parametri egal cu 3 + 1 = 4.

Aceasta înseamnă că aici ar trebui să existe 4 bosoni vectori gauge Aceștia sunt W ±, Z 0. Fotonul, ca și gluonii, este o particulă fără masă, în timp ce bosonii vectoriali W, Z 0 au mase:

Ultima împrejurare indică faptul că simetria (2) nu poate fi exactă, dar trebuie inevitabil ruptă.

Teoria ESP include mecanismul Higgs de rupere spontană a simetriei SU (2)L U (1), care asigură apariția maselor în W, Z 0, quarci și leptoni fără a pierde invarianța gauge a lagrangianului ESP complet. Cea mai simplă versiune a teoriei include un boson scalar Higgs neutru H 0, a cărui masă, totuși, nu este prezisă. Potrivit ideilor moderne, se află în intervalul Căutarea H este cu siguranță inclusă în programele experimentale promițătoare ale celor mai mari laboratoare de accelerație din lume.

Conform datelor din 2004, intervalul este aparent mai îngust: limita superioară este de aproximativ 260 GeV. - Notă. comp.

În cadrul simetriei SU (2)L U (1) se realizează o descriere unificată a interacțiunilor electromagnetice și slabe ale quarcilor și leptonilor. Această sinteză s-a dovedit a fi atât de profundă încât utilizarea termenului universal „interacțiune electroslabă” este destul de legitimă.

În general, fizica cunoaște multe exemple despre cât de fructuoasă poate fi o abordare unificată a descrierii fenomenelor care, la prima vedere, par complet nelegate și chiar eterogene.

Astfel, datorită lui Newton, gravitația terestră și cea cerească au fost combinate într-un singur concept, „gravitația universală”. Faraday a descoperit că forțele electrice și magnetice sunt o manifestare a unei entități - electromagnetismul. Maxwell a combinat electromagnetismul și optica, realizând că acestea descriu fenomene care au o natură comună. El, combinând mecanica analitică și termodinamica, a dezvoltat teoria cinetică a gazului.

În modelul standard, interacțiunea quarc-gluon, pe de o parte, și interacțiunea electroslabă, pe de altă parte, există complet independent una de cealaltă. Încercările de a uni aceste interacțiuni într-un cadru teoretic mai general cu numele spectaculos de „mare unificare”

până acum, din păcate, nu au dus la un real succes. Cu toate acestea, proiecte mai ambițioase continuă să fie dezvoltate, susținând că creează o „teorie cuprinzătoare” („teoria a totul”).

În primul rând, aceasta se referă la teoriile superstring-urilor deja menționate, în care se realizează sinteza interacțiunilor electroslăbice și gravitaționale quarc-gluon, iar descrierea acestora din urmă este în concordanță cu cerințele mecanicii cuantice.

În cele din urmă, teoria „superstring” a unificat SM și gravitația, folosind conceptul de șir minuscul în loc de particule punctiforme. Aceasta este o altă direcție interesantă de a depăși ideile standard despre fizica microlumilor.

De interes fără îndoială este construirea unei teorii folosind conceptul de „lungime fundamentală” (Tamm, Kadyshevsky etc.) - aceasta este și una dintre domeniile de cercetare în afara cadrului obișnuit.

Ce poate servi drept ghid de încredere pentru a depăși SM? La ce distanțe (la ce energii) SM va înceta în mod evident să „lucreze”? Pentru care teorie mai generală este SM limita de energie scăzută? Doar experimentele viitoare pot răspunde la aceste întrebări. După cum se știe, ele pot fi de două feluri. Prima presupune avansarea în regiunea distanțelor mici cu ajutorul unor acceleratoare care accelerează particulele la energii mai mari, a doua implică măsurători de precizie la energii deja atinse ale acelor valori, a căror valoare este contribuită de procesele care au loc la distanțe scurte.

Nu există o bază teoretică solidă și de încredere pentru „fizica dincolo de SM”. Aici putem vorbi deocamdată doar despre anumite domenii de cercetare. Cele mai populare dintre ele sunt:

Supersimetrie, quarci și leptoni compuși, „marea unificare”, superstringuri, technicolor și altele.

Pentru teoriile superstringurilor, scara caracteristică este masa Planck MP = 1019 GeV. „Marea Unificare” a interacțiunilor ar trebui să aibă loc la energii de ordinul a 1015 GeV.

Am discutat deja mai sus o serie de posibile scheme teoretice.

Să spunem câteva cuvinte despre supersimetrie (SUSY), care a primit multă atenție în ultimele două decenii. SUSY este un nou tip de simetrie în lumea particulelor elementare, bazat pe o descriere unificată a bosonilor și fermionilor. În cadrul SUSI, fiecare particulă este asociată cu o superparticulă al cărei spin diferă cu 1/2. Astfel, fotonul, bosonii W - și Z cu spin 1 corespund superparticulelor Dirac „photino”, „vin” W și „zino” Z; Quarcii și leptonii corespund „squarks” și „sleptoni” scalari, iar scalari „Higgs” corespund „Shiggs” cu spin 1/2.

Toate particulele și superparticulele incluse într-un supermultiplet trebuie să aibă aceeași masă. Cu toate acestea, nu se observă nimic similar cu degenerarea spectrului de masă al fermionilor și bosonilor existenți. Mai mult, chiar dacă nu luăm în considerare diferențele de mase, trebuie precizat că fermionii cunoscuți de noi nu pot fi interpretați ca superparteneri ai bozonilor existenți.

Prin urmare, cu o atitudine optimistă față de însuși conceptul de SUSI, urmează două concluzii:

Supersimetria particulelor elementare se realizează într-o formă spartă cu o divizare mare a maselor în supermultipleturi;

superparticulele trebuie descoperite.

Nu există nicio îndoială că descoperirea superparticulelor ar fi un semnal luminos al unei fizici noi, nestandard. Până acum, însă, căutarea lor nu a avut succes. Din datele disponibile astăzi, se obțin doar estimări ale maselor acestor obiecte:

Ca schemă teoretică, SUSI satisface cele mai înalte cerințe estetice. Teoriile superstring datorează o mare parte din atractivitatea lor supersimetriei inerente lor.

Combinația ideii SUSI cu principiul gauge a condus la o generalizare non-trivială a teoriei gravitației - supergravitație. În cadrul descrierii supersimetrice universale a fermionilor și bosonilor, diferențele dintre componentele structurale ale materiei, pe de o parte, și purtătorii de interacțiuni, pe de altă parte, sunt șterse. În fine, în teoriile câmpurilor supersimetrice, problema divergențelor ultraviolete își pierde din urgență: fie ele dispar complet aici, fie procedura de renormalizare corespunzătoare este simplificată semnificativ.

S-a spus mai devreme că, cu o precizie de până la 1014 cm, quarcii și leptonii pot fi considerați obiecte elementare fără structură și că tocmai această idee a acestor fermioni este inerentă SM.

Cu toate acestea, repetarea generațiilor și abundența absolută de quarci și leptoni (în trei generații de quarci există 18 quarci (inclusiv culoarea) și leptoni) poate fi un indiciu al naturii lor complexe.

Au fost propuse multe modele corespunzătoare. Cuarcii și leptonii din ele sunt construiți dintr-un număr mic de fermioni mai fundamentali (praquarci, subquarci, preoni... - nu există încă un nume general acceptat pentru acești „constituenți”).

Un alt mister în fizica particulelor se referă la problema asimetriei materie-antimaterie în Univers. Există două condiții care pot explica acest lucru - instabilitatea barionilor - particulele care interacționează puternic (subiectul cercetării în experimente mari non-acceleratoare) și încălcarea CP (vor fi studiate în următoarea generație de experimente cu fascicule K-mezon intense pe instalații noi care fac posibilă observarea încălcărilor CP în dezintegrarea mezonilor B). Există și o ipoteză despre existența unui alt Univers, unde, spre deosebire de al nostru, predomină antiparticulele.

Fizica particulelor poate oferi, de asemenea, un răspuns la misterul materiei întunecate din Univers. Toate observațiile necesită noi forme de materie întunecată nonbarionică. Acestea ar putea fi noi particule supersimetrice și/sau neutrini masivi. Există și alte posibilități.

Nu există încă un răspuns clar la întrebarea dacă neutrinii au masă. Experimente privind observarea directă a masei neutrinului sau transformarea unui neutrin în altul („oscilații neutrini”

Pontecorvo și alții) sunt planificate în viitoarele programe de cercetare la acceleratoare.

Pentru a încheia această parte, se poate rezuma pe scurt că ultimii ani au oferit o confirmare precisă a modelului standard. Cu toate acestea, există multe mistere pe care atât teoria, cât și experimentele le oferă, iar eforturile de astăzi sunt menite să găsească o cale de ieșire din această situație. Direcțiile „ieșirii” sunt ambigue și, fără a pretinde că sunt complete, am examinat doar câteva (sperăm că principalele) tendințe.

Acum să ne întoarcem la început...

Conform ideilor moderne, bazate pe așa-numitul model cosmologic standard, în prima microsecundă a existenței sale, Universul a fost atât de fierbinte încât ar putea fi format doar din particule elementare legate de forțe fundamentale. A fost un laborator unic de fizică de înaltă energie creat de natura însăși.

Prin accelerarea particulelor și ciocnirea lor între ele în laboratoarele terestre moderne, putem, în principiu, să învățăm multe despre procesele fundamentale care au avut loc inițial în Univers. Mai mult, cu cât energia particulelor care se ciocnesc este mai mare, cu atât perioada istoriei Universului intră mai devreme în câmpul nostru vizual.

Cu toate acestea, se știe că dimensiunile acceleratoarelor cresc destul de repede odată cu creșterea energiei maxime pentru care sunt proiectate.

Aici capacitățile noastre se vor epuiza destul de curând dacă nu apar idei și soluții tehnologice fundamentale.

Permiteți-mi să vă reamintesc că accelerarea particulelor la o energie de 1015 GeV, corespunzătoare „marii unificări” a interacțiunilor puternice și electroslabe, ar necesita construirea unui accelerator de dimensiunea Sistemului Solar. Și dacă am dori să avansăm la energia „Planck” de 1019 GeV (în acest moment efectele cuantice-gravitaționale devin semnificative), ar trebui să construim un accelerator al cărui inel ar avea o lungime de ordinul a 10 ani lumină. ani.

Astfel de mașini pot exista doar în imaginația scriitorilor de science fiction. Cu toate acestea, gândirea teoretică pătrunde cu îndrăzneală în domeniul energiilor practic de neatins. În același timp, realismul și viabilitatea modelelor care descriu interacțiunea particulelor elementare în întreaga gamă energetică sunt determinate, în special, prin „legarea” acestor modele cu modelul cosmologic standard al Universului timpuriu. Drept urmare, ideile și constrângerile euristice valoroase sunt introduse în fizica energiilor înalte.

Asta înseamnă Salam când vede cosmologia timpurie ca una dintre forțele motrice din spatele fizicii moderne a particulelor. Voi da exemple pentru a ilustra legitimitatea acestui punct de vedere. Unii dintre ei vor repeta fără să vrea cele spuse mai sus.

Pe baza estimărilor astrofizice ale prevalenței 4 primare Nu este posibil să se judece numărul diferitelor tipuri de neutrini ușori și, în consecință, numărul de generații de leptoni și cuarci. Asimetria barionică observată a lumii poate fi asociată cu apariția în Universul timpuriu a predominanței cuarcilor asupra antiquarcilor în interacțiuni care încalcă legea conservării sarcinii barionului și simetria CP.

O problemă foarte importantă și profundă, de soluția căreia se interesează atât cosmologia, cât și teoria particulelor elementare, este evaluarea constantei cosmologice. Pentru o descriere auto-consecventă a Universului timpuriu, introducerea acestui parametru este acum recunoscută ca fiind necesară. Pe de altă parte, conform datelor astronomice, în epoca modernă valoarea este foarte mică (|| 1056 cm2), dacă nu egală cu zero.

În teoria cuantică a câmpului, care nu folosește supersimetria, constanta este exprimată în termeni de energie a vidului și este formal o cantitate infinită. Dacă se introduce o limită rezonabilă în integralele Feynman divergente corespunzătoare, atunci estimarea rezultată || va diferi de cel astronomic cu 50–100 de ordine de mărime. Totuși, într-o teorie a câmpului supersimetric, toate diagramele de vid divergente se anulează, ceea ce este echivalent cu = 0. În acest sens, se pune întrebarea: este posibil, prin abandonarea supersimetriei exacte, să se aleagă un mecanism pentru ruperea acesteia astfel încât constanta cosmologică este diferit de zero, dar mic?

Rețineți că informațiile valoroase pentru fizica particulelor elementare provin și din observații astrofizice care nu sunt direct legate de cosmologia timpurie. Astfel, un stimul unic pentru căutarea de noi particule neutre este concluzia astrofizicienilor că aproximativ 95% din masa Universului nostru este misterioasa „materie întunecată”. Un loc special îl ocupă astrofizica neutrinilor, pentru care un eveniment de importanță primordială a fost observarea în februarie 1987 a exploziei supernovei SN1987A în Marele Nor Magellanic.

Deci, cheia rezolvării unor probleme stringente ale fizicii microcosmosului poate fi găsită în studiul macrocosmosului și invers, anumite fragmente strălucitoare ale tabloului fizic al macrocosmosului se bazează pe modelele descoperite în studiul macrocosmosului. microcosmos.

2. ACCELERATOARE DE PARTICILE ÎNCĂRCATE -

INSTRUMENTUL PRINCIPAL DE CERCETARE

A LUMII MATERIALE

(ARSENAL MODERN DE ACCELERARE)

Acceleratoarele sunt surse de particule accelerate (electroni, protoni, etc.) care „strălucesc” (ca lumina la microscop) materie fizică, nuclee atomice sau particule elementare, provocând interacțiuni complexe în funcție de tipul de particule accelerate, țintă, energia particulelor accelerate și alte condiții experimentale.

Pe lângă acceleratoare, o sursă de particule (inclusiv energii mari) poate fi un flux de particule născute în spațiu - așa-numitele raze cosmice. Cu toate acestea, intensitatea „cosmicului”

sursele este mică și scade rapid odată cu creșterea energiei.

În prezent, acceleratoarele sunt folosite pentru a rezolva probleme practice (știința materialelor, sterilizarea echipamentelor medicale, detectarea defectelor, filtre subnucleare, terapie tumorală, conservarea produselor agricole, probleme de mediu etc.), dar cele mai puternice și scumpe acceleratoare sunt create pentru științifice. scopuri. Lungimea pistei magnetice a acceleratorului (de-a lungul căreia particulele elementare sunt accelerate pe măsură ce se mișcă) ajunge astăzi la mulți kilometri, iar costul acceleratorului cu echipamentul de cercetare necesar se ridică la multe milioane de ruble. Construirea unei instalații acceleratoare pentru cercetare fundamentală este un eveniment care necesită implicarea unor resurse materiale și umane mari, precum și dezvoltarea de noi instrumente și tehnologii.

Posibilitatea de a construi un VBA - un „accelerator foarte mare” - unul pentru întreaga comunitate de fizică a fost discutată de câțiva ani.

Cu toate acestea, pentru nevoi științifice, sunt necesare diverse complexe acceleratoare - pentru accelerarea electronilor, protonii, ionii grei, cu fascicule care se ciocnesc și o țintă staționară. Prin urmare, în prezent, comunitatea internațională a fizicienilor se îndreaptă pe calea de a conveni asupra tipurilor de acceleratoare care ar trebui construite în diferite regiuni, a participării diferitelor țări la dezvoltarea și construcția de acceleratoare și în special echipamente de cercetare - detectoare.

Să subliniem încă o dată: cu ajutorul acceleratoarelor, în timpul ciocnirii particulelor accelerate și a particulelor țintă, procesele se desfășoară la energii suficient de mari care pot fi realizate de oameni în condiții terestre. Particulele încărcate sunt accelerate într-o cameră cu vid. Pentru a forma traiectoria particulelor, sunt create sisteme magnetice cu inele multi-kilometri, iar particulele sunt accelerate de un câmp electric de înaltă frecvență.

Datorită echivalenței de masă și energie stabilită de Albert Einstein, energia maximă a procesului care are loc în timpul ciocnirii particulelor determină masa maximă a unui obiect material care poate fi generată ca urmare a acestui proces. Prin urmare, deja în proiectarea acceleratorului în sine (energie de limitare, fascicule care se ciocnesc sau o țintă staționară, intensitatea fasciculului) sunt stabilite restricții asupra parametrilor particulelor care pot fi studiate pe acesta.

Vorbind despre dezvoltarea fizicii și tehnologiei acceleratoarelor de particule încărcate, aș dori să remarc contribuția remarcabilă a specialiștilor autohtoni: fizicieni, oameni de știință acceleratori, ingineri și, printre ei, G. I. Budker, V. I. Veksler, A. I. Alikhanov, A. I. Alikhanyan, A. L. Mints, A. N. Skrinsky, A. P. Komar, A. A. Logunov, A. M. Baldin, M. A. Markova, G. N. Flerova, M. G. Meshcheryakova, 4 A. N. Sisakyan V.P., V.P. Sarantseva și alții (pe de o parte, este dificil de menționat numele pe de altă parte, multe nume de oameni de știință majori rămân involuntar în spatele liniei. Îmi cer scuze oamenilor și memoriei oamenilor cu care așa s-a întâmplat.) Tabelele și cifrele de mai jos oferă caracteristicile parametrilor celor mai mari din lume. acceleratoare (în funcțiune și în construcție) și arată capacitățile arsenalului modern de acceleratoare.

Orez. 2 oferă o comparație a scalei de energie cu imaginea așteptată a apariției teoriilor unificate. Desigur, această imagine este ipotetică.

Astăzi avem energiile LEP și Tevatron (1011 1012 eV) și am realizat deja unificarea forțelor electromagnetice și slabe.

În regiunea de 1024 eV, este prezisă o mare unificare, iar în regiunea de 1028 eV, este prezisă o unificare completă a tuturor forțelor existente ale naturii.

În fig. Figura 3 prezintă un grafic care arată relația dintre energiile record realizate la acceleratoare și timpul calendaristic. Trebuie subliniat faptul că în ultima jumătate de secol s-au realizat progrese enorme în fața ochilor unei generații.

Orez. 4 conectează „calendarul” cu realizările tehnologiei acceleratoare. Axa y este o scară de energie, iar diferitele ramuri și puncte corespund tipului de accelerator prin care aceste energii pot fi atinse.

În fig. Figura 5 prezintă realizările de energie și luminozitate - cei mai importanți parametri - ale celor mai mari mașini de accelerare în funcțiune și proiectate.

Dezvoltarea fizicii de înaltă energie și acceleratoare Din Fig. 6 prezintă anii de la începutul experimentelor fizice la cele mai mari acceleratoare din lume.

În fig. Figura 7 arată la ce energii devin vizibile secțiunile transversale de producție ale unui număr de particule studiate intens în prezent (Z - energii LEP; J/ - energii BNL etc.).

Dezvoltarea fizicii de înaltă energie și acceleratoare Din Fig. 8 putem concluziona la ce luminozități funcționează cele mai mari acceleratoare din lume (ce particule se nasc și pot fi studiate).

Energiile mari (din păcate) necesită, de asemenea, o dimensiune mare a inelului de accelerație (cu excepția cazului în care apar metode de accelerare fundamental noi) (vezi Fig. 9).

În tabel Tabelul 2 prezintă parametrii colisionarelor liniare proiectate.

102 Prelegeri despre fizica particulelor Fig. 10. Tunelul de coliziune LEP Luminozitate nominală, 1033 cm2 s Luminozitate reală, 1033 cm2 s Nr. de particule/mănunchi la IP (1010) Gradient linac principal, descărcat/încărcat, MV/m 25/25 21/17 31/- 40/32 73/58 50/37 100/91 80/ x /y, mrad x / , mm d înainte de ciupire, nm Perturbații Dx /Dy n (nr. de 's per e) Nperechi (p = 20 MeV/c, min = 0,15) Nhadroni /încrucișare Njets · 102 s (p = 3,2 GeV/c) Orez . 11. Tunelul SPS (SuperProton Synchrotron)

3. COOPERARE INTERNAȚIONALĂ

OAMENII DE ȘTIINȚĂ – FACTOR DE STABILITATE ȘTIINȚIFĂ

PROIECTE. JINR - UN EXEMPLU DE COOPERARE

Combinarea eforturilor oamenilor de știință în domeniul fizicii energiilor înalte este nu doar un tribut adus tradiției de cooperare între fizicieni, ci și o necesitate urgentă, un semn al vremurilor. Astăzi, toate cele trei componente ale experienței în fizica energiilor înalte (accelerator, detector, computer electronic) sunt instalații unice, costisitoare. Pentru a ține pasul cu progresul rapid în acest domeniu al științei, astăzi există o singură cale - să vă unim forțele.

Fizica se așteaptă ca următoarea generație de acceleratoare să rezolve o serie de probleme fundamentale, inclusiv:

unificarea interacțiunilor existente în natură (electroslab, puternic și gravitațional);

crearea unei sistematici a particulelor elementare (adică, dezvăluind în cele din urmă structura lor).

Dezvoltarea fizicii de înaltă energie și a acceleratoarelor Atingerea acestor rezultate ar rambursa costurile intelectuale și materiale colosale pe care societatea le-a suportat de dragul lor. Dacă s-ar construi o imagine a microlumii (în acest stadiu al cunoașterii), aceasta ar servi ca un impuls gigantic pentru progresul științific și tehnologic. Este suficient să amintim consecințele combinării forțelor electrice și magnetice în interacțiunea electromagnetică, scindarea atomului și a nucleului... Trebuie subliniat faptul că, pe lângă sarcina sa generală, care este problema formării ideilor noastre despre microlume, înaltă -fizica energiei este plină de posibilități bogate de influențare a progresului tehnologic datorită descoperirilor din fizică și datorită influenței sale asupra altor științe. Acest set de aspecte ale problemei luate în considerare poate fi atribuit condiționat efectelor directe ale cercetării fundamentale în fizica particulelor. Dar trebuie avut în vedere că, pe lângă aceasta, există și efecte și influențe indirecte ale acestor studii asupra progresului tehnic, care sunt foarte greu de dat o evaluare economică, în timp ce beneficiile pe care le obțin sunt extrem de mari. Faptul este că dezvoltarea fizicii fundamentale este însoțită de apariția unor echipamente fizice fundamental noi, foarte moderne, echipamente și metode fundamental noi, care sunt utilizate în multe domenii ale științei și tehnologiei.

Nu ar fi exagerat să ne așteptăm că dezvăluirea secretelor microlumii, aprofundarea conexiunii acesteia cu cosmologia și rezolvarea problemelor practice în cadrul unei largi cooperări internaționale vor arăta ce probleme complexe pot fi rezolvate prin eforturile comune ale oamenilor de știință.

Rolul cooperării internaționale a oamenilor de știință a fost din nou înțeles în 1993. Trista experiență a închiderii SSC - proiectul secolului la Dallas - analizată de un grup de specialiști americani condus de S. Drell, arată că internaționalitatea proiecte este un factor de stabilizare puternic. SSC, deși foarte colaborativ, a fost creat ca parte a unui program național. „Nu există știință națională, așa cum nu există o masă națională de înmulțire. Dacă știința este națională, nu mai este știință”, au citat experții această declarație a lui Cehov în raportul lor despre închiderea SSC.

Istoria cooperării dintre fizicienii nucleari din Est și Vest conține multe pagini strălucitoare care demonstrează eficiența sa ridicată. În acest sens, exemplele CERN și JINR și cooperarea în cadrul și între aceste organizații sunt ilustrative.

JINR și CERN - Centrul European de Cercetare Nucleară* au legături științifice strânse. Aceste centre științifice sunt extrem de tinere. În septembrie 2004, CERN împlinește 50 de ani.

au cooperat eficient unul cu celălalt încă de la începutul existenței lor.

Un bun exemplu este participarea Institutului Comun la un program științific promițător de implementare a proiectului Large Hadron Collider (LHC) care este creat la CERN. În plus, meritul neîndoielnic al JINR și CERN este că prin toate activitățile lor, începute în primul deceniu postbelic, au contribuit la apropierea popoarelor, unind eforturile oamenilor de știință din zeci de țări în domeniul „ atom pașnic”.

În concluzie, voi oferi doar o foarte scurtă „carte de vizită”

a Institutului nostru.

De-a lungul celor patru decenii de activitate, Joint Institute* a devenit cel mai mare centru cu mai multe fațete pentru cercetarea nucleară fundamentală, unind eforturile oamenilor de știință în încercarea lor de a înțelege cum funcționează lumea din jurul nostru.

În prezent, 18 state sunt membre ale Institutului:

Azerbaidjan, Armenia, Belarus, Bulgaria, Vietnam, Georgia, Kazahstan, Coreea de Nord, Cuba, Moldova, Mongolia, Polonia, Rusia, România, Slovacia, Uzbekistan, Ucraina și Republica Cehă.

Institutul are aproximativ 6.000 de angajați (împreună cu departamentele de service), dintre care peste 1.000 sunt lucrători științifici, aproximativ 2.000 sunt personal de inginerie și tehnică. Institutul este format din 7 laboratoare mari, fiecare dintre ele comparabil ca amploare și sfera cercetării cu un institut mare.

JINR are surse de radiație de particule și nuclee care sunt unice în clasa lor într-o gamă largă de energie. Pe lângă sincrociclotron și sincrofazotron, aici au fost construite și funcționează acceleratoarele de ioni grei U-200 și U-400. În 1993, un fascicul de ioni extras a fost obținut din ciclotronul U-400M. În 1994, a fost pus în funcțiune acceleratorul supraconductor al nucleelor ​​relativiste Nuclotron, iar cercetările sunt efectuate folosind reactoare cu neutroni rapizi pulsați IBR-30 (din 1969) și IBR-2 (din 1984).

Perspectiva cercetării fundamentale este legată de programul implementat la Institutul de creare a unor facilităţi de bază moderne. În 1994, a început implementarea proiectului IREN, care avea ca scop crearea unei surse de neutroni rezonanți cu impulsuri de mare flux. Se dezvoltă un proiect pentru o fabrică de c-tau - un ciocnitor de pozitroni de electroni cu un detector universal și un proiect pentru o sursă specializată de radiație sincrotron.

Am putea vorbi mult despre direcțiile științifice ale JINR și cooperarea sa largă, dar probabil ați observat că printre numele pe care le-am menționat în lista departe de completă a oamenilor de știință, JINR (ca organizație internațională) este cu un an și jumătate mai tânăr decât CERN (ziua în care a fost semnat Acordul privind formarea JINR la 26 martie 1956). - Notă. comp.

Au existat multe nume de fizicieni Dubna care au contribuit semnificativ la dezvoltarea fizicii energiilor înalte.

CONCLUZIE

Să trecem mental la 1928... Profesorul Max Born, întâlnind un grup de vizitatori la Universitatea din Göttingen, a spus:

„Fizica, așa cum o înțelegem, se va încheia în 6 luni.”

Trebuie spus că Born în acel moment avea o reputație foarte înaltă ca fizician teoretic și înțelegerea sa nu putea fi negata. El a fost cel care i-a explicat lui Heisenberg, cel care a descoperit forma matriceală a mecanicii cuantice, că nu are de-a face cu nimic altceva decât cu matrici. El a dezvoltat, de asemenea, o interpretare probabilistică a funcției de undă mecanică cuantică.

Iluzia lui Born despre „sfârșitul fizicii” nu a apărut întâmplător. Nu cu mult înainte de aceasta, Dirac și-a descoperit ecuația remarcabilă, care, după cum credea autorul, descria atât electronul, cât și protonul simultan. Întrucât la vremea aceea doar aceste particule erau cunoscute și întrucât ecuația lui Dirac a rezolvat în principiu problema reconcilierii cerințelor mecanicii cuantice și ale teoriei relativității între ele, lui Born i s-a părut că fizica ca știință s-a epuizat.

Nu 6 luni, dar au trecut aproape 70 de ani de atunci. Fizica nu numai că nu s-a încheiat, dar, dimpotrivă, în toți acești ani s-a dezvoltat constant, uneori imprevizibil. Fizica energiilor înalte a devenit liderul ei clar.

În această perioadă de timp au apărut și au fost îmbunătățite acceleratoarele și a avut loc o adevărată revoluție în dezvoltarea instrumentelor fizice de măsură. Drept urmare, prin eforturile comune ale acceleratorilor, experimentatorilor și teoreticienilor, au fost descoperite multe modele importante și profunde ale microlumii. Și Pascal a avut dreptate când a spus: „Imaginația s-ar obosi mai devreme să conceapă decât natura de a naște”. Aici aș vrea să termin.

BIBLIOGRAFIE

1. Salam A. // Fizica particulelor. 1987. IC/87/402.

2. Feynman R. QED - o teorie ciudată a luminii și materiei. M.: Nauka, 1988. (Biblioteca „Kvant”, numărul 66).

3. Howking S. W. Scurtă istorie a timpului. Bantom Books, 1988.

4. Okun L. B. Leptoni și quarcuri. M.: Nauka, 1981.

5. Rubbia C. „Viitorul” în fizica energiei înalte: CERN-EP/88-130.

6. Bjorken J. D. Topics in B-Physics // Fermilab-Conf-88-134-T.

7. Kadyshevsky V. G. Prelegere la Internațional. Școala de tineri oameni de știință despre acceleratoarele de particule încărcate, Dubna, 1988.

Lucrări similare:

„1 2 3 Cuprins 5. Notă explicativă 5.1 Scopul și obiectivele biofizicii medicale și locul acesteia în procesul de învățământ 5.1.1 Scopul predării biofizicii medicale 5.1.2 Obiectivele studierii biofizicii medicale 5.1.3 Locul disciplinei în structura POO. 5.1.4 Legături interdisciplinare 5.1.5 Matricea competențelor disciplinare. 5.1.6 Tipuri de control. Forme de control curent utilizate în lucrare 6. Structura și conținutul disciplinei 6.1 Domeniul de aplicare al disciplinei și tipurile de muncă educațională 6.2 Denumirea subiectelor, conținutul acestora, volumul...”

„MINISTERUL EDUCAȚIEI ȘI ȘTIINȚEI AL INSTITUȚIEI DE ÎNVĂȚĂMÂNT DE STAT DE FEDERAȚIE RUSĂ DE ÎNVĂȚĂMÂNT PROFESIONAL SUPERIOR Universitatea de Stat Voronezh APROBAT Rector D.A. Endovitsky 2011 m.p. PROGRAM DE ÎNVĂŢĂMÂNT PROFESIONAL SUPLIMENTAR pentru perfecţionarea lucrătorilor ştiinţifici şi pedagogici din instituţiile de stat de învăţământ profesional superior şi organizaţiile ştiinţifice de stat care funcţionează în sistemul de studii superioare şi postuniversitare...”

„Agenția Federală de Transport Feroviar Bugetul Federal de Stat Instituția de învățământ de învățământ profesional superior Ural State University of Transport (Ural State Transport University) SERIE DE INDICI BIBLIOGRAFICE LUCRĂRILE ANgajaților USUPS Sergey Petrovich BAUTIN ANIVERSAREA INDEXUL BIBLIOGRAFIC AL PUBLICAȚILOR ȘTIINȚIFICE-210973–210973 Editura Ekaterinburg UrGUPS 2012 BBK Ch 755.3 Seria B29 fondată în 2005 Bautin Sergey Petrovici: aniversare...”

„Știri despre eontologie și stratigrafie, 201 O, nr. 14, p.111-140 Apendice la J/SURNA Geology and Geophysics, T. 51 UDC 575.321:564. 1 DATE NOI PRIVIND SISTEMATICA BIVALVELOR JURASICE ŞI CRETACEE DIN FAMILIA OXYTOMIDAE ICHlKAWA, 1958 o. A. Lutikov 1, B. N. Shurygin 2 / Institutul de Cercetare de Paleontologie, Stratigrafie și Sedimentologie, Novosibirsk, st. B. Hmelnițki, off. 14; Rusia 630110, 60, 2Institutul de Geologie și Geofizică a Petrolului și Gazelor IM. A.A. Trofimuka SO RAD..."

"iiexs ieuex reweveex howmnyn hrm ©oryi iuyh ueqs §xhrexy ¦vseuex reeeywxis rewe hssvis xhs wesx eFHIFHP ( 4hiferenil hvsrowmner4 msngitow$ym fizikm$emtikkn gitown gitow! ¤weqs iiex ( PHII STATUL EREVAN UNIVERSITATEA Dumanyan Vagram Zhoraevich DESPRE PROBLEMA DIRICHLET PENTRU O ECUAȚIE ELIPTICĂ GENERALĂ DE ORDINUL AL DOILEA REZUMAT al tezei de doctorat în științe fizice și matematice, specialitatea 01.01.02 – Diferenţial...”

„14-Geofizică: scoarța terestră, oceanul, atmosfera Polina Viktorovna Abdrakhimova, anul 5 Ufa, Universitatea de Stat Bashkir, fizice Caracteristici ale câmpului de temperatură într-un sistem multistrat în timpul încălzirii prin inducție a unei coloane Ramil Fayzyrovich Sharafutdinov, doctor în științe fizice și matematice. e-mail: [email protected] pagina 457 Abdrashitov Vakil Khaidarovich, masterand 2 ani de studiu Ufa, Universitatea de Stat Bashkir, Institutul de Fizică și Tehnologie Studiu experimental al distribuției temperaturii la...”

„SCURT ISTORIA TIMPULUI STEPHEN HAWKING Leonard Mlodinov SCURT ISTORIA TIMPULUI St. Petersburg AMPHORA 2011 Stephen Hawking, Leonard Mlodinow: O scurtă istorie a timpului UDC 524.8 BBK 22.68 X X70 STEPHEN HAWKING & LEONARD MLOD din limba engleză Istoria timpului de Bakinow Translate în engleză. Oralbekov Editor științific A. G. Sergeev Editura își exprimă recunoștința agențiilor literare Writers House LLC și Synopsis pentru asistență în obținerea drepturilor de proprietate intelectuală și a drepturilor...”

« Universitatea de Stat APROBAT de Decanul Facultatii de Fizica si Tehnologie B.B. Pedko 2012 Complex educațional și metodologic pentru disciplina PRACTICUM DE FIZICĂ GENERALĂ. FIZICĂ MOLECULARĂ pentru studenții anului I cu frecvență a direcției 010700.62 Fizică, specialități 010801.65 Radiofizică și electronică, 010704.65 Fizica condensului..."

„Agenția Federală pentru Educație a Federației Ruse UNIVERSITATEA NAȚIONALĂ DE CERCETARE NUCLEARĂ MEPhI S. N. Borisov Manual de fizică Pentru a ajuta elevii de clasa a VIII-a Moscova 2009 UDC 53 (075) BBK 22.3ya7 B82 Borisov S.N. Manual de fizică. Pentru a ajuta elevii de clasa a VIII-a. – M.: Universitatea Națională de Cercetare Nucleară MEPhI, 2009. – 84 p. Acest manual prezintă cinci subiecte care sunt studiate la cursul de fizică de clasa a VIII-a. Pentru fiecare subiect este prezentat materialul teoretic necesar, sunt luate în considerare exemple de rezolvare a problemelor....”

„B.M. Sinelnikov, A.G. Hramtsov, I.A. Evdokimov, S.A. Ryabtseva, A.V. Serov Lactoza și derivații săi Editor științific Academician al Academiei Ruse de Științe Agricole A.G. Khramtsov Publicat cu asistența ONG-ului Uniunea Rusă a Întreprinderilor din Industria Lactatelor (Uniunea Produselor Lactate din Rusia) Sankt Petersburg 2007 UDC 637.044+637.345 BBK 36.95 Lak19 Recenzători: K. K. Polyansky - expert în domeniul științific și tehnic al Ministerului Educației și Știința Federației Ruse, Dr. tech. Științe, prof., șef. departament Universitatea Agrară de Stat Voronezh;..."

„Vernadsky Moscow Science 1993 UDC 614.7 Dioxinele ca pericol de mediu: retrospectivă și perspective / L.A. Fedorov. M.: Știință. 1993. - 266 p. - ISBN 5-02-001674-8 Monografia examinează pe scurt câteva aspecte ale problemei senobioticelor extrem de toxice, cum ar fi dibenzo-n-dioxinele polihalogenate, dibenzofuranii polihalogenați și...”

„2012 Ce este medicina nucleară Kuzmina N.B. Centrul de Medicină Nucleară NRNU MEPhI Cuprins Introducere Ce este medicina nucleară? Tomografie computerizată cu emisie de un singur foton Tomografie cu emisie de pozitroni PET pentru animale Tomografie computerizată Imagistica prin rezonanță magnetică Radionuclizi și terapie cu radiații Tehnologii Producția de produse radiofarmaceutice Acceleratoare de particule încărcate pentru producția de izotopi și radioterapie.18 Tehnologii informaționale în medicina nucleară Perspective...”

„1961 decembrie T. LXXV, numărul. 4 AVANZĂRI ȘTIINȚELOR FIZICE INDEXUL ARTICOLELOR PUBLICATE ÎN AVANZĂRI ȘTIINȚELOR FIZICE, VOLUM I - L X X V (1918-1961)*) 630 I. Indexul alfabetic al autorilor II. Indexul subiectului 707 727 Acustica 707 Starea cristalină a materiei 728 Acustica arhitecturală.... 707 Luminescența Astrofizică 708 Proprietățile magnetice ale substanțelor... Atom 708 Magnetohidrodinamica fisiunii nucleului atomic 709 Fenomene magneto-optice... Masa atomică... A709. ."

“MINISTERUL EDUCAȚIEI ȘI ȘTIINȚEI AL RF Bugetul Federal de Stat Instituția de Învățământ de Învățământ Profesional Superior Universitatea de Stat Tver APROBAT Decanul Facultății de Biologie _ S.M. "

„1 Ministerul Educației și Științei Federației Ruse Bugetul federal de stat Instituția de învățământ de învățământ profesional superior Vladimir Universitatea de Stat numită după Alexander Grigorievich și Nikolai Grigorievich Stoletov Facultatea de Radiofizică, Electronică și Tehnologie Medicală Raport pentru anul universitar 2012/13 Vladimir 2013 1 2 RAPORT privind activitatea FREMT în anul universitar 2012/2013 I. Implementarea planului de lucru al Consiliului FREMT pentru anul universitar 2012/2013. an. În legătură cu formarea Institutului...”

„1945 AVANCES ALE ŞTIINŢELOR FIZICE T. XXVII, nr. 1 ACCELERAREA ELECTRONILOR FOLOSIND INDUCȚIA ELECTROMAGNETICA (KERST’S BETATRON) A.P. Grinberg În 1940, fizicianul american Donald Kerst a construit un accelerator de electroni de inducție la Universitatea din Illinois (Erbana). Arsenalul tehnic al fizicii a fost îmbogățit cu un nou dispozitiv remarcabil, o nouă metodă. Kerst a fost primul care a pus în practică cu succes ideea care a apărut de mult despre utilizarea fenomenului inducției electromagnetice pentru a accelera electronii, iar asta...”

„Bibliotecă mare de cărți rare la www:goldbiblioteca.ru Misterele Bhagavata Purana Cantos 1-12: I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII „Bhagavata Purana este fructul copt al arborelui literaturii vedice.” (1.1.3.) „INSTITUTUL DE METAFIZICA PRACTICĂ” Sankt Petersburg 2001 Surendra Mohan Das (Napolitan S. M.) Mysteries of the Bhagavata Purana (Cantos 1-12). - Sankt Petersburg: „Institutul de Metafizică Practică”, 2001. - 432 p. Cartea oferă o relatare detaliată a unuia dintre cei mai faimoși și autoritari vedici...”

„UDC 91:327 Lysenko A. V. Modelarea matematică ca metodă de studiere a fenomenului autonomismului în geografia politică Universitatea Națională Tauride numită după V. I. Vernadsky, Simferopol e-mail: [email protected] Adnotare. Articolul examinează posibilitatea utilizării modelării matematice ca metodă de studiu a geografiei politice, dezvăluie conceptul de autonomism teritorial, precum și factorii genezei acestuia. Cuvinte cheie: modelare matematică,...”

« Mamin-Sibiryak) Introducere Cel mai mare fizician și gânditor al timpului nostru, M. Planck, a spus: Știința este un întreg unificat intern. Împărțirea sa în zone separate se datorează nu atât naturii lucrurilor, cât și limitărilor cunoașterii umane. În realitate, există un lanț neîntrerupt de la fizică și chimie prin biologie...”

„MINISTERUL EDUCAȚIEI ȘI ȘTIINȚEI DIN UCRAINA UNIVERSITATEA NAȚIONALĂ DONETSK BIBLIOTECA ȘTIINȚIFĂ DIN DONNU Seria Vidatnye Vcheni a Universității Naționale din Donețk Fondată în 2005 ANATOLY IVANOVICH BAZHIN Index biobibliografic pentru cea de-a 70-a aniversare de la nașterea orașului Donețk 2BBK31251 2005-2005. UDC 532(09) Bazhin Alcătuit de: Klimenko L.E., bibliograf principal al bibliotecii științifice a DonNU Makarova T.I., bibliograf șef al bibliotecii științifice a DonNU Editor științific: Bazhin A.I., doctor...”

Existenţă particule elementare oamenii de știință au descoperit în timpul studiului proceselor nucleare, prin urmare, până la mijlocul secolului al XX-lea, fizica particulelor a fost o ramură a fizicii nucleare. În prezent, aceste ramuri ale fizicii sunt apropiate, dar independente, unite prin comunitatea multor probleme luate în considerare și prin metodele de cercetare utilizate. Sarcina principală a fizicii particulelor elementare este studiul naturii, proprietăților și transformărilor reciproce ale particulelor elementare.

Ideea că lumea este alcătuită din particule fundamentale , are o istorie lungă. Pentru prima dată, ideea existenței celor mai mici particule invizibile care alcătuiesc toate obiectele din jur a fost exprimată la 400 de ani î.Hr. de filozoful grec Democrit. El a numit aceste particule atomi, adică particule indivizibile. Știința a început să folosească ideea de atomi abia la începutul secolului al XIX-lea, când pe această bază a fost posibil să se explice o serie de fenomene chimice. În anii 30 ai secolului al XIX-lea, în teoria electrolizei dezvoltată de M. Faraday, a apărut conceptul de ion și s-a măsurat sarcina elementară. Sfârșitul secolului al XIX-lea a fost marcat de descoperirea fenomenului radioactivității (1896, A. Becquerel), precum și de descoperirea electronilor (1897, J. Thomson) și a particulelor alfa (1899, E. Rutherford). În 1905, în fizică a apărut ideea cuantelor de câmp electromagnetic - fotoni (A. Einstein).

În 1911 a fost descoperit nucleul atomic (E. Rutherford) și s-a dovedit în sfârșit că atomii au o structură complexă. În 1919, Rutherford a descoperit protoni în produsele de fisiune ale nucleelor ​​atomice ale unui număr de elemente. În 1932, J. Chadwick a descoperit neutronul. A devenit clar că nucleele atomilor, ca și atomii înșiși, au o structură complexă. A apărut teoria proton-neutron a structurii nucleelor ​​(D. D. Ivanenko și V. Heisenberg). În același 1932, în razele cosmice a fost descoperit un pozitron (K. Anderson). Un pozitron este o particulă încărcată pozitiv care are aceeași masă și aceeași sarcină (modulo) ca un electron. Existența pozitronului a fost prezisă de P. Dirac în 1928. În acești ani, transformările reciproce ale protonilor și neutronilor au fost descoperite și studiate și a devenit clar că aceste particule nu sunt, de asemenea, „blocurile de construcție” elementare neschimbate ale naturii. În 1937, au fost descoperite particule cu o masă de 207 mase de electroni în raze cosmice, numite muonii (μ-mezoni). Apoi, în 1947–1950 s-au deschis bujori (adică π mezoni), care, conform conceptelor moderne, realizează interacțiunea dintre nucleonii din nucleu. În anii următori, numărul de particule nou descoperite a început să crească rapid. Acest lucru a fost facilitat de cercetarea razelor cosmice, dezvoltarea tehnologiei acceleratoarelor și studiul reacțiilor nucleare.

În prezent, sunt cunoscute aproximativ 400 de particule subnucleare, care sunt denumite în mod obișnuit elementare. Marea majoritate a acestor particule sunt instabile. Singurele excepții sunt fotonii, electronii, protonii și neutrinii. Toate celelalte particule experimentează spontan transformarea în alte particule. Particulele elementare instabile diferă foarte mult în timpul lor de viață. Cea mai lungă particulă este neutronul. Durata de viață a neutronilor este de aproximativ 15 minute. Alte particule „trăiesc” pentru un timp mult mai scurt. De exemplu, durata medie de viață a unui mezon μ este de 2,2·10 –6 s, cea a unui mezon π neutru este de 0,87·10 –16 s. Multe particule masive - hiperonii – au o durată medie de viață de aproximativ 10–10 s.

Există câteva zeci de particule cu o durată de viață care depășește 10-17 s. La scara microcosmosului, acesta este un moment semnificativ. Astfel de particule sunt numite relativ stabil . Majoritate de scurtă durată particulele elementare au durate de viață de ordinul 10–22–10–23 s.

Capacitatea de a suferi transformări reciproce este cea mai importantă proprietate a tuturor particulelor elementare. Ele sunt capabile să se nască și să fie distruse (emise și absorbite). Acest lucru se aplică și particulelor stabile, singura diferență fiind că transformările particulelor stabile nu au loc spontan, ci prin interacțiunea cu alte particule. Un exemplu ar fi anihilare (adică dispariție) electron și pozitron, însoțite de nașterea fotonilor de înaltă energie. Procesul invers poate apărea și - naștere perechea electron-pozitron, de exemplu, atunci când un foton de energie suficient de mare se ciocnește cu un nucleu. Protonul are, de asemenea, un geamăn atât de periculos precum pozitronul pentru electron. Se numeste antiproton . Sarcina electrică a antiprotonului este negativă. În prezent antiparticule găsit în toate particulele. Antiparticulele sunt opuse particulelor, deoarece atunci când orice particulă își întâlnește antiparticula, are loc anihilarea lor, adică ambele particule dispar, transformându-se în cuante de radiație sau alte particule.

Antiparticula a fost găsită chiar și în neutron. Neutronul și antineutronul diferă doar prin semnele momentului magnetic și așa-numita sarcină barionică. Posibila existență a atomilor antimaterie, ale căror nuclei constau din antinucleoni, iar învelișul de pozitroni. Când antimateria se anihilează cu materie, energia de repaus este transformată în energia cuantelor de radiație. Aceasta este o energie enormă, depășind semnificativ pe cea eliberată în timpul reacțiilor nucleare și termonucleare.

În varietatea particulelor elementare cunoscute până în prezent, se găsește un sistem de clasificare mai mult sau mai puțin armonios. În tabel 6.9.1 oferă câteva informații despre proprietățile particulelor elementare cu o durată de viață mai mare de 10–20 s. Dintre numeroasele proprietăți care caracterizează o particulă elementară, tabelul arată doar masa particulei (în mase de electroni), sarcina electrică (în unități de sarcină elementară) și momentul unghiular (așa-numitul a învârti ) în unităţi ale constantei lui Planck ħ = h/ 2π. Tabelul arată, de asemenea, durata medie de viață a particulelor.

Particulele elementare sunt combinate în trei grupe: fotonii , leptoni Și hadronii .

Pentru grup fotonii se referă la o singură particulă - un foton, care este purtătorul interacțiunii electromagnetice.

Următorul grup este format din particule luminoase - leptoni. Acest grup include două tipuri de neutrini (electron și muon), electroni și μ-mezon. Leptonii includ, de asemenea, un număr de particule care nu sunt enumerate în tabel. Toți leptonii au spin

Al treilea grup mare este format din particule grele numite hadronii. Acest grup este împărțit în două părți. Particulele mai ușoare formează un subgrup mezonii . Cei mai ușori dintre ei sunt încărcați pozitiv și negativ, precum și mezonii π neutri cu mase de ordinul a 250 de mase de electroni (Tabelul 6.9.1). Pionii sunt cuante ale câmpului nuclear, la fel cum fotonii sunt cuante ale câmpului electromagnetic. Acest subgrup include, de asemenea, patru K mezoni și un mezon η 0. Toți mezonii au un spin egal cu zero.

Al doilea subgrup - barionii – include particule mai grele. Este cel mai extins. Cei mai ușori barioni sunt nucleonii - protonii și neutronii. Ele sunt urmate de așa-numiții hiperoni. Hiperonul omega-minus, descoperit în 1964, închide tabelul. Aceasta este o particulă grea cu o masă de 3273 de mase de electroni. Toți barionii au spin

Abundența de hadroni descoperiți și recent descoperiți i-a determinat pe oamenii de știință să creadă că toți au fost construiti din alte particule mai fundamentale. În 1964, fizicianul american M. Gell-Man a prezentat o ipoteză, confirmată de cercetările ulterioare, că toate particulele grele - hadronii - sunt construite din particule mai fundamentale numite quarcuri . Pe baza ipotezei cuarcilor, nu doar s-a înțeles structura hadronilor deja cunoscuți, ci a fost prezisă și existența altora noi. Teoria lui Gell-Mann presupunea existența a trei cuarci și trei antiquarci, conectându-se între ele în diverse combinații. Astfel, fiecare barion este format din trei cuarci, iar fiecare antibarion este format din trei antiquarci. Mezonii constau din perechi quark-antiquarc.

Odată cu acceptarea ipotezei cuarcului, a fost posibil să se creeze un sistem armonios de particule elementare. Cu toate acestea, proprietățile prezise ale acestor particule ipotetice s-au dovedit a fi destul de neașteptate. Sarcina electrică a quarcilor trebuie exprimată în numere fracționale egale cu sarcina elementară.

Numeroase căutări pentru quarci în stare liberă, efectuate la acceleratoare de înaltă energie și în raze cosmice, au fost fără succes. Oamenii de știință cred că unul dintre motivele inobservabilității quarcilor liberi este, probabil, masele lor foarte mari. Acest lucru previne nașterea quarcilor la energiile care sunt realizate în acceleratoarele moderne. Cu toate acestea, majoritatea experților sunt acum încrezători că quarcii există în interiorul particulelor grele - hadronii.

Trimiteți-vă munca bună în baza de cunoștințe este simplu. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

INSTITUTUL DE FRONTIERĂ KALININGRAD AL SERVICIULUI FEDERAL DE SECURITATE AL FEDERATIEI RUSE

CENTRUL DE EDUCAȚIE SUPLIMENTARĂ ȘI PROFESIONALĂ

prin disciplina

„Conceptul de științe naturale moderne”

„Istoria descoperirii particulelor elementare”

Conţinut

• Introducere
• Electron
• Foton
• Proton
• Neutroni
• Pozitron
• Neutrino
• Descoperirea unor particule ciudate
• Particule „încântătoare”.
• Concluzie
• Lista literaturii folosite

Introducere

Particulele elementare în sensul precis al acestui termen sunt particule primare, în continuare necompuse, din care, prin presupunere, constă toată materia. Conceptul de particule elementare în fizica modernă exprimă ideea de entități primordiale care determină toate proprietățile cunoscute ale lumii materiale, idee care a apărut în etapele incipiente ale dezvoltării științelor naturale și a jucat întotdeauna un rol important în dezvoltarea acesteia. .

Fizicienii au descoperit existența particulelor elementare atunci când studiau procesele nucleare, așa că până la mijlocul secolului al XX-lea, fizica particulelor elementare a fost o ramură a fizicii nucleare. În prezent, fizica particulelor elementare și fizica nucleară sunt ramuri apropiate, dar independente ale fizicii, unite prin comunitatea multor probleme luate în considerare și prin metodele de cercetare utilizate. Sarcina principală a fizicii particulelor elementare este studiul naturii, proprietăților și transformărilor reciproce ale particulelor elementare.

Descoperirea particulelor elementare a fost un rezultat firesc al succeselor generale în studiul structurii materiei realizate de fizică la sfârșitul secolului al XIX-lea. A fost pregătit prin studii cuprinzătoare ale spectrelor optice ale atomilor, studiul fenomenelor electrice în lichide și gaze, descoperirea fotoelectricității, a razelor X și a radioactivității naturale, care au indicat existența unei structuri complexe a materiei.

În anii 1960 și 1970, fizicienii au fost complet derutați de numărul, varietatea și ciudățenia particulelor subatomice recent descoperite. Părea să nu aibă sfârșit. Este complet neclar de ce există atât de multe particule. Sunt aceste particule elementare fragmente haotice și aleatorii de materie? Sau poate dețin cheia înțelegerii structurii Universului? Dezvoltarea fizicii în deceniile următoare a arătat că nu există nicio îndoială cu privire la existența unei astfel de structuri.

Conceptul de „particule elementare” a fost format în strânsă legătură cu stabilirea naturii discrete a structurii materiei la nivel microscopic Descoperirea la începutul secolelor XIX-XX a celor mai mici purtători ai proprietăților materiei. molecule și atomi - și stabilirea faptului că moleculele sunt construite din atomi, a făcut posibilă pentru prima dată descrierea tuturor substanțelor cunoscute ca combinații ale unui număr finit, deși mare, de componente structurale - atomi prezența atomilor constituenți - electroni și nuclee, stabilirea naturii complexe a nucleelor, care s-a dovedit a fi construită din doar două tipuri de particule (protoni și neutroni), a redus semnificativ numărul de elemente discrete care formează proprietățile materiei. și a dat motive să presupunem că lanțul de părți constitutive ale materiei se termină cu formațiuni discrete fără structură - particule elementare. O astfel de presupunere, în general, este o extrapolare a faptelor cunoscute și nu poate fi fundamentată cu nicio certitudine, în sensul elementar din definiția de mai sus, există. De exemplu, protonii și neutronii, care pentru o lungă perioadă de timp au fost considerate particule elementare, după cum sa dovedit, au o structură complexă. Nu poate fi exclusă posibilitatea ca succesiunea componentelor structurale ale materiei să fie fundamental infinită. Existența particulelor elementare este un fel de postulat, iar testarea validității acestora este una dintre cele mai importante sarcini ale fizicii.

Istoria descoperirii particulelor elementare

Ideea că lumea este făcută din particule fundamentale are o istorie lungă. Pentru prima dată, ideea existenței celor mai mici particule invizibile care alcătuiesc toate obiectele din jur a fost exprimată la 400 de ani î.Hr. de filozoful grec Democrit. El a numit aceste particule atomi, adică particule indivizibile. Știința a început să folosească ideea de atomi abia la începutul secolului al XIX-lea, când pe această bază a fost posibil să se explice o serie de fenomene chimice. În anii 30 ai secolului al XIX-lea, în teoria electrolizei dezvoltată de M. Faraday, a apărut conceptul de ion și s-a măsurat sarcina elementară. Sfârșitul secolului al XIX-lea a fost marcat de descoperirea fenomenului radioactivității (A. Becquerel, 1896), precum și de descoperirea electronilor (J. Thomson, 1897) și a particulelor b (E. Rutherford, 1899). În 1905, în fizică a apărut ideea cuantelor de câmp electromagnetic - fotoni (A. Einstein).

În 1911 a fost descoperit nucleul atomic (E. Rutherford) și s-a dovedit în sfârșit că atomii au o structură complexă. În 1919, Rutherford a descoperit protoni în produsele de fisiune ale nucleelor ​​atomice ale unui număr de elemente. În 1932, J. Chadwick a descoperit neutronul. A devenit clar că nucleele atomilor, ca și atomii înșiși, au o structură complexă. A apărut teoria proton-neutron a structurii nucleelor ​​(D.D. Ivanenko și V. Heisenberg). În același 1932, în razele cosmice a fost descoperit un pozitron (K. Anderson). Un pozitron este o particulă încărcată pozitiv care are aceeași masă și aceeași sarcină (modulo) ca un electron. Existența pozitronului a fost prezisă de P. Dirac în 1928. În acești ani, transformările reciproce ale protonilor și neutronilor au fost descoperite și studiate și a devenit clar că aceste particule nu sunt, de asemenea, „blocurile de construcție” elementare neschimbate ale naturii. În 1937, în razele cosmice au fost descoperite particule cu o masă de 207 mase de electroni, numite muoni (m-mezoni). Apoi, în 1947-1950, au fost descoperiți pioni (adică p-mezoni), care, conform conceptelor moderne, interacționează între nucleonii din nucleu. În anii următori, numărul de particule nou descoperite a început să crească rapid. Acest lucru a fost facilitat de cercetarea razelor cosmice, dezvoltarea tehnologiei acceleratoarelor și studiul reacțiilor nucleare.

În prezent, sunt cunoscute aproximativ 400 de particule subnucleare, care sunt denumite în mod obișnuit elementare. Marea majoritate a acestor particule sunt instabile. Singurele excepții sunt fotonii, electronii, protonii și neutrinii. Toate celelalte particule suferă transformări spontane în alte particule la anumite intervale. Particulele elementare instabile diferă foarte mult în timpul lor de viață. Cea mai lungă particulă este neutronul. Durata de viață a neutronilor este de aproximativ 15 minute. Alte particule „trăiesc” pentru un timp mult mai scurt. De exemplu, durata medie de viață a unui m-mezon este de 2,2·10 - 6 s, iar cea a unui p-mezon neutru este de 0,87·10 - 16 s. Multe particule masive - hiperonii - au o durată medie de viață de ordinul a 10 - 10 s.

Există câteva zeci de particule cu o durată de viață care depășește 10 - 17 s. La scara microcosmosului, acesta este un moment semnificativ. Astfel de particule sunt numite relativ stabile. Majoritatea particulelor elementare cu viață scurtă au durate de viață de ordinul 10 - 22 -10 - 23 s.

Capacitatea de transformări reciproce este cea mai importantă proprietate a tuturor particulelor elementare. Particulele elementare sunt capabile să se nască și să fie distruse (emise și absorbite). Acest lucru se aplică și particulelor stabile, singura diferență fiind că transformările particulelor stabile nu au loc spontan, ci prin interacțiunea cu alte particule. Un exemplu este anihilarea (adică dispariția) unui electron și a unui pozitron, însoțită de nașterea fotonilor de înaltă energie. Procesul invers poate apărea și - nașterea unei perechi electron-pozitron, de exemplu, atunci când un foton cu o energie suficient de mare se ciocnește cu un nucleu. Protonul are, de asemenea, un geamăn atât de periculos precum pozitronul pentru electron. Se numește antiproton. Sarcina electrică a antiprotonului este negativă. În prezent, antiparticulele au fost găsite în toate particulele. Antiparticulele sunt opuse particulelor deoarece atunci când orice particulă se întâlnește cu antiparticula ei, are loc anihilarea lor, adică ambele particule dispar, transformându-se în cuante de radiație sau alte particule.

Antiparticula a fost găsită chiar și în neutron. Neutronul și antineutronul diferă doar prin semnele momentului magnetic și așa-numita sarcină barionică. Existența atomilor de antimaterie este posibilă, ale căror nuclei constau din antinucleoni, iar învelișul de pozitroni. Când antimateria se anihilează cu materie, energia de repaus este transformată în energia cuantelor de radiație. Aceasta este o energie enormă, depășind semnificativ pe cea eliberată în timpul reacțiilor nucleare și termonucleare.

În varietatea particulelor elementare cunoscute până în prezent, se găsește un sistem de clasificare mai mult sau mai puțin armonios.

Particulele elementare sunt combinate în trei grupe: fotoni, leptoni și hadroni.

Grupul de fotoni include o singură particulă - un foton, care este purtătorul interacțiunii electromagnetice.

Următorul grup este format din particule leptonice ușoare. Acest grup include două tipuri de neutrini (electron și muon), electroni și m-mezon.

Al treilea grup mare este format din particule grele numite hadroni. Acest grup este împărțit în două subgrupe. Particulele mai ușoare formează un subgrup de mezoni. Cei mai ușori dintre ei sunt încărcați pozitiv și negativ, precum și p-mezonii neutri cu mase de ordinul a 250 de mase de electroni. Pionii sunt cuante ale câmpului nuclear, la fel cum fotonii sunt cuante ale câmpului electromagnetic. Acest subgrup include, de asemenea, patru mezoni K și un mezon 30. Toți mezonii au un spin egal cu zero.

Al doilea subgrup - barionii - include particule mai grele. Este cel mai extins. Cei mai ușori barioni sunt nucleonii - protonii și neutronii. Ele sunt urmate de așa-numiții hiperoni. Omega-minus-hyperon, descoperit în 1964, închide tabelul.

Abundența de hadroni descoperiți și recent descoperiți i-a determinat pe oamenii de știință să creadă că toți au fost construiti din alte particule mai fundamentale. În 1964, fizicianul american M. Gell-Man a prezentat o ipoteză, confirmată de cercetările ulterioare, că toate particulele fundamentale grele - hadronii - sunt construite din mai multe particule fundamentale numite quarci. Pe baza ipotezei cuarcilor, nu doar s-a înțeles structura hadronilor deja cunoscuți, ci a fost prezisă și existența altora noi. Teoria lui Gell-Mann presupunea existența a trei cuarci și trei antiquarci, conectându-se între ele în diverse combinații. Astfel, fiecare barion este format din trei cuarci, iar fiecare antibarion este format din trei antiquarci. Mezonii constau din perechi quark-antiquarc.

Odată cu acceptarea ipotezei cuarcului, a fost posibil să se creeze un sistem armonios de particule elementare. Cu toate acestea, proprietățile prezise ale acestor particule ipotetice s-au dovedit a fi destul de neașteptate. Numeroase căutări pentru quarci în stare liberă, efectuate la acceleratoare de înaltă energie și în raze cosmice, au fost fără succes. Oamenii de știință cred că unul dintre motivele inobservabilității quarcilor liberi este, probabil, masele lor foarte mari. Acest lucru previne nașterea quarcilor la energiile care sunt realizate în acceleratoarele moderne. Cu toate acestea, majoritatea experților sunt acum încrezători că quarcii există în interiorul particulelor grele - hadronii.

Interacțiuni fundamentale. Procesele la care participă diferite particule elementare diferă foarte mult în timpii și energiile lor caracteristice. Conform conceptelor moderne, în natură există patru tipuri de interacțiuni care nu pot fi reduse la alte tipuri de interacțiuni mai simple: puternice, electromagnetice, slabe și gravitaționale. Aceste tipuri de interacțiuni sunt numite fundamentale.

Interacțiunea puternică (sau nucleară) este cea mai intensă dintre toate tipurile de interacțiuni. Ele provoacă o legătură excepțional de puternică între protoni și neutroni din nucleele atomilor. Doar particulele grele - hadronii (mezoni și barionii) - pot lua parte la interacțiuni puternice. Interacțiunea puternică se manifestă la distanțe de ordinul mai mici de 10 - 15 m. Prin urmare, se numește distanță scurtă.

Interacțiune electromagnetică. Orice particule încărcate electric, precum și fotonii - cuante ale câmpului electromagnetic, pot lua parte la acest tip de interacțiune. Interacțiunea electromagnetică este responsabilă, în special, de existența atomilor și a moleculelor. Determină multe proprietăți ale substanțelor în stare solidă, lichidă și gazoasă. Repulsia coulombiană a protonilor duce la instabilitatea nucleelor ​​cu numere de masă mari. Interacțiunea electromagnetică determină procesele de absorbție și emisie de fotoni de către atomi și molecule de materie și multe alte procese din fizica micro și macrolumilor.

Interacțiunea slabă este cea mai lentă dintre toate interacțiunile care au loc în microcosmos. Orice particule elementare, cu excepția fotonilor, pot lua parte la ea.

Interacțiunea gravitațională este inerentă tuturor particulelor fără excepție, totuși, datorită maselor mici de particule elementare, forțele de interacțiune gravitațională dintre ele sunt neglijabile, iar rolul lor în procesele microlumii este nesemnificativ. Forțele gravitaționale joacă un rol decisiv în interacțiunea obiectelor cosmice (stele, planete etc.) cu mase lor enorme.

În anii 30 ai secolului XX, a apărut o ipoteză că în lumea particulelor elementare, interacțiunile se realizează prin schimbul de quante ale unui câmp. Această ipoteză a fost propusă inițial de compatrioții noștri I.E. Tamm și D.D. Ivanenko. Ei au propus că interacțiunile fundamentale apar din schimbul de particule, la fel cum legătura chimică covalentă a atomilor apare din schimbul de electroni de valență care se combină pe învelișuri de electroni neumplute.

Interacțiunea realizată prin schimbul de particule se numește interacțiune de schimb în fizică. De exemplu, interacțiunea electromagnetică între particulele încărcate apare ca urmare a schimbului de fotoni - cuante ale câmpului electromagnetic.

Teoria interacțiunii schimbului a câștigat recunoaștere după ce fizicianul japonez H. Yukawa a arătat teoretic în 1935 că interacțiunea puternică dintre nucleoni din nucleele atomilor poate fi explicată dacă presupunem că nucleonii fac schimb de particule ipotetice numite mezoni. Yukawa a calculat masa acestor particule, care s-a dovedit a fi aproximativ egală cu 300 de mase de electroni. Particulele cu o astfel de masă au fost ulterior descoperite efectiv. Aceste particule sunt numite p-mezoni (pioni). În prezent, se cunosc trei tipuri de pioni: p +, p - și p 0.

În 1957, a fost prezisă teoretic existența particulelor grele, așa-numiții bosoni vectoriali W + , W - și Z 0, determinând mecanismul de schimb al interacțiunii slabe. Aceste particule au fost descoperite în 1983 în experimente cu accelerator folosind fascicule de protoni și antiprotoni de înaltă energie. Descoperirea bosonilor vectoriali a fost o realizare foarte importantă în fizica particulelor. Această descoperire a marcat succesul teoriei, care a combinat forțele electromagnetice și cele slabe într-o singură așa-numită forță electroslabă. Această nouă teorie consideră câmpul electromagnetic și câmpul de interacțiune slab ca componente diferite ale aceluiași câmp, la care bosonii vectoriali participă împreună cu cuantica câmpului electromagnetic.

După această descoperire în fizica modernă, încrederea că toate tipurile de interacțiune sunt strâns legate între ele și, în esență, sunt manifestări diferite ale unui singur domeniu a crescut semnificativ. Cu toate acestea, unificarea tuturor interacțiunilor rămâne doar o ipoteză științifică atractivă.

Fizicienii teoreticieni fac eforturi semnificative în încercările de a lua în considerare pe o bază unificată nu numai interacțiunea electromagnetică și slabă, ci și interacțiunea puternică. Această teorie a fost numită Marea Unire. Oamenii de știință sugerează că interacțiunea gravitațională trebuie să aibă și propriul purtător - o particulă ipotetică numită graviton. Cu toate acestea, această particulă nu a fost încă descoperită.

Acum se consideră dovedit că un singur câmp care unește toate tipurile de interacțiune poate exista doar la energii extrem de mari ale particulelor, de neatins cu acceleratoarele moderne. Particulele ar putea avea energii atât de mari doar în primele etape ale existenței Universului, care au apărut ca urmare a așa-numitului Big Bang. Cosmologia - studiul evoluției Universului - sugerează că Big Bang-ul a avut loc acum 18 miliarde de ani. În modelul standard al evoluției Universului, se presupune că în prima perioadă după explozie temperatura ar putea ajunge la 10 32 K, iar energia particulelor E = kT ar putea ajunge la 10 19 GeV. În această perioadă, materia a existat sub formă de quarci și neutrini și toate tipurile de interacțiuni au fost combinate într-un singur câmp de forță. Treptat, pe măsură ce Universul s-a extins, energia particulelor a scăzut, iar din câmpul unificat de interacțiuni a apărut mai întâi interacțiunea gravitațională (la energii ale particulelor de aproximativ 10 19 GeV), iar apoi interacțiunea puternică s-a separat de interacțiunea electroslabă (la energii de de ordinul 10 14 GeV). La energii de ordinul a 10 3 GeV, toate cele patru tipuri de interacțiuni fundamentale s-au dovedit a fi separate. Concomitent cu aceste procese a avut loc formarea unor forme mai complexe de materie - nucleoni, nuclei usori, ioni, atomi etc. Cosmologia în modelul său încearcă să urmărească evoluția Universului în diferite etape ale dezvoltării sale de la Big Bang până în zilele noastre, bazându-se pe legile fizicii particulelor elementare, precum și pe fizica nucleară și atomică.

Electron

Poate că acești electroni sunt Lumi în care sunt cinci continente, Arte, cunoaștere, războaie, tronuri Și amintirea a patruzeci de secole!

Poezia lui Valery Bryusov „Lumea electronului” a fost scrisă pe 13 august 1922.

Din punct de vedere istoric, prima particulă elementară descoperită a fost electronul, purtătorul sarcinii electrice elementare negative în atomi.

Aceasta este cea mai „veche” particulă elementară. În termeni ideologici, el a intrat în fizică în 1881, când Helmholtz, într-un discurs în onoarea lui Faraday, a subliniat că structura atomică a materiei, împreună cu legile lui Faraday ale electrolizei, duce inevitabil la ideea că sarcina electrică trebuie să fie întotdeauna un multiplu al unei sarcini elementare, adică . până la concluzia despre cuantizarea sarcinii electrice. Purtătorul unei sarcini elementare negative, așa cum știm acum, este electronul.

Maxwell, care a creat teoria fundamentală a fenomenelor electrice și magnetice și a folosit în mod semnificativ rezultatele experimentale ale lui Faraday, nu a acceptat ipoteza electricității atomice.

Între timp, teoria „temporană” a existenței electronului a fost confirmată în 1897 în experimentele lui J. J. Thomson, în care a identificat așa-numitele raze catodice cu electroni și a măsurat sarcina și masa electronului. Thomson a numit particulele razelor catodice „corpuscule” sau atomi primordiali. Cuvântul „electron” a fost folosit inițial pentru a desemna cantitatea de sarcină de pe un „corpuscul”. Și numai în timp, particula în sine a început să fie numită electron. Cu toate acestea, ideea unui electron nu a câștigat imediat acceptare. Când, la o prelegere la Societatea Regală, J. J. Thomson, descoperitorul electronului, a sugerat că particulele razelor catodice ar trebui considerate posibile componente ale atomului, unii dintre colegii săi au crezut sincer că el le mistifică. Planck însuși a recunoscut în 1925 că nu credea pe deplin în ipoteza electronilor atunci, în 1900.

Putem spune că după experimentele lui Millikan, care a măsurat în 1911. încărcăturile electronilor individuali, această primă particulă elementară a primit dreptul de a exista.

Foton

Dovada experimentală directă a existenței fotonului a fost dată de R. Millikan în 1912-1915. în studiile sale despre efectul fotoelectric, precum și de A. Compton în 1922, care a descoperit împrăștierea razelor X cu o modificare a frecvenței lor.

Un foton este, într-un fel, o particulă specială. Faptul este că masa sa în repaus, spre deosebire de alte particule (cu excepția neutrinilor), este zero. Prin urmare, nu a fost considerată imediat o particulă: la început s-a crezut că prezența unei mase de repaus finite și nenule a fost o caracteristică obligatorie a unei particule elementare.

Un foton este o cuantă de lumină Planck „animată”, adică. cuantumul impulsului purtător de lumină.

Cuantele de lumină au fost introduse de Planck în 1901 pentru a explica legile radiației corpului negru. Dar nu au fost particule, ci doar „porțiuni” minime posibile de energie luminoasă de o frecvență sau alta.

Deși presupunerea lui Planck despre cuantificarea energiei luminoase a contrazis absolut întreaga teorie clasică, Planck însuși nu a înțeles imediat acest lucru. Omul de știință a scris că „... a încercat să introducă într-un fel valoarea lui h în cadrul teoriei clasice. Cu toate acestea, în ciuda tuturor acestor încercări, această valoare s-a dovedit a fi foarte încăpățânată”. Ulterior, această valoare a fost numită constanta lui Planck (h=6*10 -27 erg. s).

După introducerea constantei lui Planck, situația nu a devenit mai clară.

Fotonii sau cuantele au fost făcute „vii” de teoria relativității a lui Einstein, care în 1905 a arătat că cuantele trebuie să aibă nu numai energie, ci și impuls și că sunt particule în sensul deplin, numai speciale, deoarece masa lor în repaus este zero, și se mișcă cu viteza luminii.

Deci concluzia despre existența unei particule dintr-un câmp electromagnetic - un foton - provine din lucrarea lui M. Planck (1900). Presupunând că energia radiației electromagnetice dintr-un corp absolut negru este cuantificată, Planck a obținut formula corectă pentru spectrul radiațiilor. Dezvoltând ideea lui Planck, A. Einstein (1905) a postulat că radiația electromagnetică (lumina) este de fapt un flux de cuante individuale (fotoni) și pe această bază a explicat legile efectului fotoelectric.

Proton

Protonul a fost descoperit de E. Rutherford în 1919 în studiile interacțiunii particulelor alfa cu nucleele atomice.

Mai exact, descoperirea protonului este asociată cu descoperirea nucleului atomic. A fost realizat de Rutherford ca urmare a bombardării atomilor de azot cu particule b de înaltă energie. Rutherford a concluzionat că „nucleul atomului de azot se dezintegrează ca urmare a forțelor enorme dezvoltate în timpul unei coliziuni cu o particulă rapidă b și că atomul de hidrogen eliberat formează o parte integrantă a nucleului de azot”. În 1920, nucleele atomului de hidrogen au fost numite protoni de către Rutherford (proton în greacă înseamnă cel mai simplu, primar). Au existat și alte propuneri pentru nume. De exemplu, a fost propus numele de „baron” (baros în greacă înseamnă greutate). Cu toate acestea, a subliniat doar o caracteristică a nucleului de hidrogen - masa sa. Termenul „proton” a fost semnificativ mai profund și mai semnificativ, reflectând natura fundamentală a protonului, deoarece protonul este cel mai simplu nucleu - nucleul celui mai ușor izotop de hidrogen. Acesta este, fără îndoială, unul dintre cei mai adecvați termeni din fizica particulelor. Astfel, protonii sunt particule cu o unitate de sarcină pozitivă și o masă de 1840 de ori mai mare decât masa unui electron.

Neutroni

O altă particulă care face parte din nucleu, neutronul, a fost descoperită în 1932 de J. Chadwick în timp ce studia interacțiunea particulelor b cu beriliul. Un neutron are o masă apropiată de cea a unui proton, dar nu are sarcină electrică. Descoperirea neutronului a finalizat identificarea particulelor - elementele structurale ale atomilor și nucleele acestora.

Descoperirea izotopilor nu a clarificat problema structurii nucleului. Până atunci, erau cunoscuți doar protonii — nucleele de hidrogen — și electronii și, prin urmare, era firesc să încercăm să explicăm existența izotopilor prin diferite combinații ale acestor particule încărcate pozitiv și negativ. S-ar putea crede că nucleele conțin protoni A, unde A este numărul de masă și electroni A?Z. În acest caz, sarcina pozitivă totală coincide cu numărul atomic Z.

O imagine atât de simplă a unui nucleu omogen la început nu a contrazis concluzia despre dimensiunea mică a nucleului care a rezultat din experimentele lui Rutherford. „Raza naturală” a electronului r0 = e 2 /mc 2 (care se obține dacă echivalăm energia electrostatică e 2 /r0 a sarcinii distribuite pe învelișul sferic cu energia proprie a electronului mc 2) este r0 = 2,82* 10 - 15 m Un astfel de electron este suficient de mic pentru a fi în interiorul unui nucleu cu o rază de 10 - 14 m, deși plasarea unui număr mare de particule acolo ar fi dificil. În 1920 Rutherford și alți oameni de știință au luat în considerare posibilitatea unei combinații stabile a unui proton și a unui electron, producând o particulă neutră cu o masă aproximativ egală cu cea a protonului. Cu toate acestea, din cauza lipsei de încărcare electrică, astfel de particule ar fi dificil de detectat. Este puțin probabil ca aceștia să poată scoate electronii din suprafețele metalice, cum ar fi undele electromagnetice în efectul fotoelectric.

Abia un deceniu mai târziu, după ce radioactivitatea naturală a fost studiată profund și radiațiile radioactive au început să fie utilizate pe scară largă pentru a provoca transformarea artificială a atomilor, s-a stabilit în mod fiabil existența unei noi componente a nucleului. În 1930, W. Bothe și G. Becker de la Universitatea din Giessen au iradiat litiu și beriliu cu particule alfa și au înregistrat radiația penetrantă rezultată folosind un contor Geiger. Deoarece această radiație nu a fost afectată de câmpurile electrice și magnetice și era foarte pătrunzătoare, autorii au ajuns la concluzia că au fost emise radiații gamma dure. În 1932, F. Joliot și I. Curie au repetat experimente cu beriliu, trecând astfel de radiații penetrante printr-un bloc de parafină. Ei au descoperit că din parafină au apărut protoni cu o energie neobișnuit de mare și au ajuns la concluzia că razele gamma au fost împrăștiate prin parafină și au produs protoni. (În 1923 s-a descoperit că razele X sunt împrăștiate de electroni, dând efectul Compton)

J. Chadwick a repetat experimentul. El a folosit, de asemenea, parafină și, folosind o cameră de ionizare în care sarcina creată atunci când electronii au fost scoși din atomi, a măsurat gama de protoni de recul.

Chadwick a folosit, de asemenea, azot gazos (într-o cameră cu nori, unde picăturile de apă se condensează de-a lungul traseului unei particule încărcate) pentru a absorbi radiația și pentru a măsura intervalul de atomi de recul de azot. Aplicând legile conservării energiei și impulsului la rezultatele ambelor experimente, el a ajuns la concluzia că radiația neutră detectată nu a fost radiația gamma, ci un flux de particule cu o masă apropiată de masa unui proton. Chadwick a mai arătat că sursele cunoscute de radiații gamma nu elimina protonii. Acest lucru a confirmat existența unei noi particule, care se numește acum neutron.

Fisiunea beriliului metalic s-a produs astfel: particulele alfa 4 2 He (sarcina 2, numărul de masă 4) s-au ciocnit cu nucleele de beriliu (sarcina 4, numărul de masă 9), rezultând formarea carbonului și a unui neutron. Descoperirea neutronului a fost un pas important înainte. Caracteristicile observate ale nucleelor ​​ar putea fi acum interpretate luând în considerare neutronii și protonii ca părți constitutive ale nucleelor. Acum se știe că neutronul este cu 0,1% mai greu decât protonul. Neutronii liberi (în afara nucleului) suferă dezintegrare radioactivă, devenind un proton și un electron. Aceasta amintește de ipoteza originală a unei particule neutre compuse. Cu toate acestea, în interiorul unui nucleu stabil, neutronii sunt legați de protoni și nu se descompun spontan.

Pozitron

Din anii 1930 până în anii 1950, noi particule au fost descoperite în principal în razele cosmice. În 1932, A. Anderson a descoperit prima antiparticulă din compoziția lor - un pozitron (e+) - o particulă cu masa unui electron, dar cu sarcină electrică pozitivă. Pozitronul a fost prima antiparticulă descoperită. Existența lui e+ a urmat direct din teoria relativistă a electronului, dezvoltată de P. Dirac (1928-31) cu puțin timp înainte de descoperirea pozitronului. În 1936 Fizicienii americani K. Anderson și S. Neddermeyer au descoperit, în timp ce studiau razele cosmice, muonii (ambele semne de sarcină electrică) - particule cu o masă de aproximativ 200 de mase de electroni, dar în rest surprinzător de apropiate ca proprietăți de e-, e+.

Pozitronii (electronii pozitivi) nu pot exista în materie pentru că atunci când încetinesc se anihilează, combinându-se cu electronii negativi. În acest proces, care poate fi considerat ca fiind procesul invers de producere a perechilor, electronii pozitivi și negativi dispar, creând fotoni cărora le este transferată energia. Când un electron și un pozitron se anihilează, în majoritatea cazurilor se formează doi fotoni, mult mai rar - un foton. Anihilarea unui singur foton poate avea loc numai atunci când electronul este puternic legat de nucleu; participarea nucleului în acest caz este necesară pentru a conserva impulsul. Anihilarea cu doi fotoni, dimpotrivă, poate avea loc și cu un electron liber. Adesea, procesul de anihilare are loc după ce pozitronul sa oprit aproape complet. În acest caz, doi fotoni cu energii egale sunt emiși în direcții opuse.

Pozitronul a fost descoperit de Anderson în timp ce studia razele cosmice folosind metoda camerei cu nori. Figura, care este o reproducere a unei fotografii realizate de Anderson într-o cameră cu nori, arată o particulă pozitivă care intră într-o placă de plumb de 0,6 cm grosime cu un impuls de 6,3 * 107 eV / s și o părăsește cu un impuls de 2,3 * 107 eV. / Cu. Putem stabili o limită superioară a masei acestei particule presupunând că pierde energie numai prin ciocniri. Această limită este de 20 de mine. Pe baza acestei fotografii și a altor fotografii similare, Anderson a emis ipoteza existenței unei particule pozitive cu o masă aproximativ egală cu cea a unui electron obișnuit. Această concluzie a fost în curând confirmată de observațiile lui Blackett și Occhialini în camera cu nori. Curând după aceea, Curie și Joliot au descoperit că pozitronii au fost produși prin conversia razelor gamma din surse radioactive și au fost, de asemenea, emiși de izotopi radioactivi artificiali. Deoarece un foton, fiind neutru, formează o pereche (pozitron și electron), din principiul conservării sarcinii electrice rezultă că în valoare absolută sarcina unui pozitron este egală cu sarcina unui electron.

Prima determinare cantitativă a masei pozitronilor a fost făcută de Thibault, care a măsurat raportul e/m folosind metoda trohoidului și a concluzionat că masele pozitronului și electronului diferă cu cel mult 15%. Experimentele ulterioare ale lui Spies și Zahn, care au folosit o configurație spectrografică de masă, au arătat că masele electronului și ale pozitronului coincid cu o precizie de 2%. Mai târziu, Dumond și colegii de muncă au măsurat lungimea de undă a radiației de anihilare cu mare precizie. Cu precizie la erorile experimentale (0,2%), ei au obținut lungimea de undă la care ar fi de așteptat în ipoteza că pozitronul și electronul au mase egale.

Legea conservării momentului unghiular atunci când este aplicată procesului de producere a perechilor arată că pozitronii au spin semiîntreg și, prin urmare, se supun statisticilor Fermi. Este rezonabil să presupunem că spinul unui pozitron este 1/2, la fel ca spinul unui electron.

Pioni și muoni. Descoperirea mezonului

Descoperirea mezonului, spre deosebire de descoperirea pozitronului, nu a fost rezultatul unei singure observații, ci mai degrabă o concluzie dintr-o serie întreagă de studii experimentale și teoretice.

În 1932, Rossi, folosind metoda coincidenței propusă de Bothe și Kolherster, a arătat că o anumită parte din radiația cosmică observată la nivelul mării este formată din particule capabile să pătrundă prin plăci de plumb de până la 1 m grosime, a atras și el atenția la existenţa în razele cosmice a două componente diferite. Particulele dintr-o componentă (componentă penetrantă) sunt capabile să treacă prin grosimi mari ale unei substanțe, iar gradul de absorbție a acestora de către diferite substanțe este aproximativ proporțional cu masa acestor substanțe. Particulele celeilalte componente (componenta care formează furtuna) sunt absorbite rapid, în special de elementele grele; în acest caz, se formează un număr mare de particule secundare (averse). Experimentele privind trecerea particulelor de raze cosmice prin plăci de plumb, efectuate cu o cameră cu nori de Anderson și Neddemeyer, au arătat, de asemenea, că există două componente diferite ale razelor cosmice. Aceste experimente au arătat că, în timp ce, în medie, pierderea de energie a particulelor de raze cosmice în plumb a fost de același ordin de mărime ca pierderea de coliziune calculată teoretic, unele dintre aceste particule au suferit pierderi mult mai mari.

În 1934, Bethe și Heitler au publicat o teorie a pierderii de electroni radiativi și a producției de perechi de către fotoni. Proprietățile componentei mai puțin penetrante observate de Anderson și Neddemeyer erau în acord cu proprietățile electronilor prezise de teoria lui Bethe și Heitler; Mai mult, pierderile mari au fost explicate prin procesele de radiație. Proprietățile radiației care formează dușuri descoperite de Rossi ar putea fi explicate și prin presupunerea că această radiație constă din electroni și fotoni de înaltă energie. Pe de altă parte, recunoscând validitatea teoriei lui Bethe și Heitler, a trebuit să concluzionam că particulele „penetrante” din experimentele lui Rossi și particulele mai puțin absorbite din experimentele lui Anderson și Neddemeyer diferă de electroni. A trebuit să presupunem că particulele care pătrund sunt mai grele decât electronii, deoarece, conform teoriei, pierderile de energie datorate radiațiilor sunt invers proporționale cu pătratul masei.

În acest sens, s-a discutat posibilitatea prăbușirii teoriei radiațiilor la energii mari. Ca alternativă, Williams a sugerat în 1934 că particulele de raze cosmice care pătrund ar putea avea masa unui proton. Una dintre dificultățile asociate cu această ipoteză a fost necesitatea existenței nu numai a protonilor pozitivi, ci și negativi, deoarece experimentele cu camera de nori au arătat că particulele de raze cosmice care pătrund au încărcături ale ambelor semne. Mai mult, în unele dintre fotografiile făcute de Anderson și Neddemeyer în camera cu nori, se puteau vedea particule care nu emiteau ca electronii, dar nu erau la fel de grele ca protonii. Astfel, până la sfârșitul anului 1936 a devenit aproape evident că, pe lângă electroni, razele cosmice conțin și particule de tip necunoscut până acum, probabil particule cu o masă intermediară între masa electronului și masa protonului. De asemenea, trebuie menționat că în 1935, Yukawa, din considerente pur teoretice, a prezis existența unor astfel de particule.

Existența particulelor de masă intermediară a fost demonstrată direct în 1937 prin experimentele lui Neddemeyer și Anderson, Street și Stevenson.

Experimentele lui Neddemeyer și Anderson au fost o continuare (cu metodologie îmbunătățită) a studiilor menționate mai sus privind pierderea de energie a particulelor de raze cosmice. Acestea au fost efectuate într-o cameră cu nori plasată într-un câmp magnetic și împărțită în două jumătăți de o placă de platină cu grosimea de 1 cm. Pierderile de impuls pentru particulele individuale de raze cosmice au fost determinate prin măsurarea curburii trezii înainte și după placă.

Particulele absorbite pot fi interpretate cu ușurință ca electroni. Această interpretare este susținută de faptul că particulele absorbite, spre deosebire de cele penetrante, cauzează adesea procese secundare în absorbantul de platină și se găsesc în mare parte în grupuri (două sau mai multe). Acesta este exact ceea ce ar trebui să ne așteptăm, deoarece mulți dintre electronii observați cu aceeași geometrie experimentală ca cei ai lui Neddemeyer și Anderson fac parte din ploile formate în materia înconjurătoare. În ceea ce privește natura particulelor penetrante, următoarele două rezultate obținute de Neddemeyer și Anderson au explicat multe.

1). În ciuda faptului că particulele absorbante sunt relativ mai frecvente la valori scăzute ale impulsului, iar particulele penetrante, dimpotrivă (mai frecvente la valorile impulsurilor mari), există un interval de impuls în care sunt reprezentate atât particulele absorbante, cât și cele patrunzatoare. Astfel, diferența de comportament a acestor două tipuri de particule nu poate fi atribuită diferențelor de energii. Acest rezultat exclude posibilitatea de a considera particulele penetrante ca fiind electroni, explicând comportamentul lor prin nedreptatea teoriei radiațiilor la energii mari.

2). Există un număr de particule penetrante cu un moment mai mic de 200 MeV/c care nu produc mai multă ionizare decât o particulă încărcată individual aproape de minimul curbei de ionizare. Aceasta înseamnă că particulele de raze cosmice care pătrund sunt mult mai ușoare decât protonii, deoarece un proton cu un impuls mai mic de 200 MeV/c produce o ionizare specifică de aproximativ 10 ori mai mică.

Street și Stevenson au încercat să estimeze direct masa particulelor de raze cosmice, măsurând simultan impulsul și ionizarea specifică. Au folosit o cameră cu nori, care era controlată de un sistem de contor Geiger-Muller setat la anti-coincidență. Acest lucru a realizat selecția particulelor aproape de sfârșitul rulării lor. Camera a fost plasată într-un câmp magnetic de 3500 g; camera a fost declanșată cu o întârziere de aproximativ 1 secundă, ceea ce a făcut posibilă numărarea picăturilor. Printre numărul mare de fotografii, Street și Stevenson au găsit una care era de un interes extrem.

Această fotografie arată urma unei particule cu un impuls de 29 MeV/c, a cărei ionizare este de aproximativ șase ori mai mare decât minimul. Această particulă are o sarcină negativă pe măsură ce se mișcă în jos. Judecând după impuls și ionizarea specifică, masa sa se dovedește a fi de aproximativ 175 de mase de electroni; eroarea probabilă de 25% se datorează inexactității măsurării ionizării specifice. Rețineți că un electron cu un impuls de 29 MeV/c are practic o ionizare minimă. Pe de altă parte, particulele cu acest impuls și masă de proton (fie un proton normal care se mișcă în sus, fie un proton negativ care se mișcă în jos) au o ionizare specifică care este de aproximativ 200 de ori minimul; în plus, intervalul unui astfel de proton în gazul camerei ar trebui să fie mai mic de 1 cm. În același timp, urma în cauză este clar vizibilă timp de 7 cm, după care părăsește volumul iluminat.

Experimentele descrise mai sus au demonstrat cu siguranță că particulele care pătrund sunt într-adevăr mai grele decât electronii, dar mai ușoare decât protonii. În plus, experimentul Street și Stevenson a oferit prima estimare aproximativă a masei acestei noi particule, pe care acum o putem numi cu numele comun, mezon.

Deci, în 1936 A. Anderson și S. Neddermeyer au descoperit muonul (m - mezon). Această particulă diferă de electron doar prin masa sa, care este de aproximativ 200 de ori mai mare decât electronul.

În 1947 Powell a observat urme de particule încărcate în emulsii fotografice, care au fost interpretate ca mezoni Yukawa și numite p-mesoni sau pioni. Produșii de descompunere ai pionilor încărcați, care sunt și particule încărcate, au fost numiți m-mezoni sau muoni. Muonii negativi au fost observați în experimentele lui Conversi: spre deosebire de pioni, muonii, ca și electronii, nu interacționează puternic cu nucleele atomice.

Deoarece dezintegrarea pionilor opriți a produs întotdeauna muoni cu o energie strict definită, a rezultat că în timpul tranziției de la p la m ar trebui să se formeze o altă particulă neutră (masa sa s-a dovedit a fi foarte aproape de zero). Pe de altă parte, această particulă practic nu interacționează cu materia, așa că s-a ajuns la concluzia că nu poate fi un foton. Astfel, fizicienii au întâlnit o nouă particulă neutră a cărei masă este zero. Așadar, a fost descoperit mezonul Yukawa încărcat, degradându-se într-un muon și un neutrin. Durata de viață a p-mezonului în raport cu această dezintegrare s-a dovedit a fi 2-10 -8 s. Apoi s-a dovedit că muonul era și instabil și că, în urma dezintegrarii sale, s-a format un electron. Durata de viață a muonului sa dovedit a fi de aproximativ 10 -6 s. Deoarece electronul produs în timpul dezintegrarii unui muon nu are o energie strict definită, s-a ajuns la concluzia că, împreună cu electronul, în timpul dezintegrarii unui muon se formează doi neutrini. În 1947, tot în raze cosmice, grupul lui S. Powell a descoperit mezonii p+ și p- cu o masă de 274 de mase de electroni, care joacă un rol important în interacțiunea protonilor cu neutronii din nuclee. Existența unor astfel de particule a fost sugerată de H. Yukawa în 1935.

Neutrino

Descoperirea neutrinului, o particulă care interacționează greu cu materia, datează de la presupunerea teoretică a lui W. Pauli (1930), care, datorită presupunerii nașterii unei astfel de particule, a făcut posibilă eliminarea dificultăților cu legea conservării energiei în procesele de dezintegrare beta a nucleelor ​​radioactive. Existența neutrinilor a fost confirmată experimental abia în 1953 (F. Reines și K. Cowan, SUA).

În timpul dezintegrarii β a nucleelor, așa cum am spus deja, pe lângă electroni, sunt emiși și neutrini. Această particulă a fost pentru prima dată „introdusă” în fizică teoretic. Existența neutrinilor a fost postulată de Pauli în 1929, cu mulți ani înainte de descoperirea sa experimentală (1956). Pauli avea nevoie de o particulă neutrină neutrină cu masă zero (sau neglijabilă) pentru a salva legea conservării energiei în procesul de dezintegrare a nucleelor ​​atomice.

Inițial, Pauli a numit ipotetica particulă neutră formată în timpul dezintegrarii β a nucleelor ​​neutron (acest lucru a fost înainte de descoperirea lui Chadwick) și a sugerat că face parte din nucleu.

Cât de dificil a fost să se ajungă la ipoteza neutrinilor formați în chiar actul dezintegrarii unui neutron se vede din faptul că cu doar un an înainte de apariția articolului fundamental al lui Fermi despre proprietățile interacțiunii slabe, un cercetător, vorbind privind starea actuală a fizicii nucleului atomic, a folosit termenul „neutron” pentru a desemna două particule care se numesc acum neutron și neutrin. „De exemplu, conform propunerii lui Pauli”, spune Fermi, „ar fi posibil să ne imaginăm că în interiorul nucleului atomic există neutroni care ar fi emiși simultan cu particulele beta. Acești neutroni ar putea trece prin straturi mari de materie fără a pierde mult energia lor și Prin urmare, ele ar fi practic nedetectabile Existența neutronului ar putea, fără îndoială, să explice pur și simplu unele întrebări încă neclare, cum ar fi statisticile nucleelor ​​atomice, momentele proprii anormale ale unor nuclee și, de asemenea, poate natura. radiații penetrante.” De fapt, atunci când vorbim despre o particulă emisă cu electroni β și absorbită slab de materie, este necesar să ținem cont de neutrin. Se poate concluziona că în 1932 problemele cu neutroni și neutrini erau extrem de confuze. A fost nevoie de un an de muncă grea din partea teoreticienilor și experimentatorilor pentru a rezolva atât dificultățile fundamentale, cât și cele terminologice.

„După descoperirea neutronului”, a spus Pauli, „la seminarii de la Roma, Fermi a început să numească noua mea particule emisă în timpul dezintegrarii β „neutrin” pentru a o deosebi de neutronul greu. Acest nume italian a devenit general acceptat.

În anii 1930, teoria lui Fermi a fost generalizată la dezintegrarea pozitronilor (Wick, 1934) și la tranziții care implică modificări ale momentului unghiular al nucleului (Gamow și Teller, 1937).

„Soarta” unui neutrin poate fi comparată cu „soarta” unui electron. Ambele particule au fost inițial ipotetice - electronul a fost introdus pentru a aduce structura atomică a materiei în conformitate cu legile electrolizei, iar neutrinul a fost introdus pentru a salva legea conservării energiei în procesul de dezintegrare. Și abia mai târziu s-au descoperit că există cu adevărat.

În 1962, s-a descoperit că există doi neutrini diferiți: electroni și muoni. În 1964, așa-numita non-conservare a fost descoperită în dezintegrarea mesonilor K neutri. paritatea combinată (introdusă de Li Tsung-dao și Yang Zhen-ning și independent de L.D. Landau în 1956), adică necesitatea revizuirii opiniilor obișnuite asupra comportamentului proceselor fizice în timpul operațiunii de reflecție a timpului.

Descoperirea unor particule ciudate

Sfârșitul anilor 40 - începutul anilor 50. au fost marcate de descoperirea unui grup mare de particule cu proprietăți neobișnuite, numite „ciudate” Primele particule din acest grup de mezoni K+ - și K-, hiperonii L-, S+ -, S -, X - au fost descoperite în raze cosmice. , descoperirile ulterioare de particule ciudate au fost făcute folosind acceleratoare - instalații care creează fluxuri intense de protoni și electroni rapidi Când se ciocnesc cu materia, protonii și electronii accelerați dau naștere la noi particule elementare, care devin subiect de studiu.

În 1947, Butler și Rochester au observat două particule numite particule V într-o cameră cu nori. Au fost observate două urme, ca și cum ar forma litera latină V. Formarea a două urme a indicat că particulele erau instabile și s-au dezintegrat în altele, mai ușoare. Una dintre particulele V era neutră și s-a degradat în două particule încărcate cu sarcini opuse. (A fost identificat mai târziu cu K-mezonul neutru, care se descompune în pioni pozitivi și negativi). Celălalt a fost încărcat și s-a degradat într-o particulă încărcată cu o masă mai mică și o particulă neutră. (A fost identificat ulterior cu mezonul K+ încărcat, care se descompune în pioni încărcați și neutri).

Particulele V permit, la prima vedere, o altă interpretare: aspectul lor ar putea fi interpretat nu ca dezintegrare a particulelor, ci ca un proces de împrăștiere. Într-adevăr, procesele de împrăștiere a unei particule încărcate pe un nucleu cu formarea unei particule încărcate în starea finală, precum și împrăștierea inelastică a unei particule neutre pe un nucleu cu formarea a două particule încărcate vor arăta într-o cameră cu nori. în același mod ca și dezintegrarea particulelor V. Dar această posibilitate a fost ușor exclusă pe motiv că procesele de dispersie sunt mai probabile în medii mai dense. Și evenimentele V au fost observate nu în plumb, care a fost prezent în camera cu nori, ci direct în camera însăși, care a fost umplută cu gaz cu o densitate mai mică (comparativ cu densitatea plumbului).

Rețineți că, dacă descoperirea experimentală a mezonului p a fost într-un anumit sens „așteptată” în legătură cu necesitatea de a explica natura interacțiunilor nucleonilor, atunci descoperirea particulelor V, precum descoperirea muonului, s-a dovedit a fi o surpriza totala.

Descoperirea particulelor V și determinarea celor mai „elementare” caracteristici ale acestora a durat mai bine de un deceniu. După prima observare a acestor particule în 1947. Rochester și Butler și-au continuat experimentele încă doi ani, dar nu au reușit să observe o singură particulă. Și numai după ce echipamentul a fost ridicat sus în munți, particulele V au fost descoperite din nou și au fost descoperite și noi particule.

După cum sa dovedit mai târziu, toate aceste observații s-au dovedit a fi observații ale diferitelor descompunere ale aceleiași particule - mezonul K (încărcat sau neutru).

„Comportamentul” particulelor V în timpul nașterii lor și al degradarii ulterioare a făcut ca acestea să fie numite ciudate.

Particulele ciudate au fost obținute pentru prima dată în laborator în 1954. Fowler, Shutt, Thorndike și Whitemore, care, folosind un fascicul de ioni de la Brookhaven Cosmotron cu o energie inițială de 1,5 GeV, au observat reacții de formare asociativă a particulelor ciudate.

De la începutul anilor 50. acceleratorii au devenit instrumentul principal pentru studierea particulelor elementare. În anii 70 Energiile particulelor accelerate în acceleratoare s-au ridicat la zeci și sute de miliarde de electron volți (GeV). Dorința de a crește energiile particulelor se datorează faptului că energiile înalte deschid posibilitatea de a studia structura materiei la distanțe mai scurte, cu atât mai mare este energia particulelor care se ciocnesc. Acceleratoarele au crescut semnificativ rata de obținere a datelor noi și, în scurt timp, ne-au extins și îmbogățit cunoștințele despre proprietățile microlumii. Utilizarea acceleratoarelor pentru a studia particulele ciudate a făcut posibilă studierea mai detaliată a proprietăților acestora, în special a caracteristicilor dezintegrarii lor, și a condus în curând la o descoperire importantă: elucidarea posibilității de a schimba caracteristicile unor microprocese în timpul funcționării oglinzii. reflecție – așa-numita. încălcarea spaţiilor, paritate (1956). Punerea în funcțiune a acceleratoarelor de protoni cu energii de miliarde de electroni volți a făcut posibilă descoperirea de antiparticule grele: antiproton (1955), antineutron (1956), hiperoni anti-sigma (1960). În 1964, a fost descoperit cel mai greu hiperon, W - (cu o masă de aproximativ două mase de protoni).

Rezonanțe.

În anii 1960 La acceleratori, au fost descoperite un număr mare de particule extrem de instabile (comparativ cu alte particule elementare instabile), numite „rezonanțe”, masele majorității rezonanțelor depășesc masa unui proton, D1 (1232). cunoscut încă din 1953. S-a dovedit că rezonanțe alcătuiesc cea mai mare parte a particulelor elementare.

Interacțiunea puternică a unui p-mezon și a unui nucleon într-o stare cu spin izotopic total de 3/2 și impuls de 3/2 duce la apariția unei stări excitate în nucleon. Această stare se descompune într-un nucleon și un p-mezon într-un timp foarte scurt (aproximativ 10 -23 s). Deoarece această stare are numere cuantice bine definite, precum particulele elementare stabile, era firesc să o numim o particulă. Pentru a sublinia durata de viață foarte scurtă a acestei stări, ea și stările similare de scurtă durată au început să fie numite rezonante.

Rezonanța nucleoană, descoperită de Fermi în 1952, a fost numită mai târziu izobară D 3/2 3/2 (pentru a evidenția faptul că spinul și spinul izotopic al izobarei D sunt egale cu 3/2). Întrucât durata de viață a rezonanțelor este nesemnificativă, acestea nu pot fi observate direct, la fel ca protonii, p-mezonii și muonii „obișnuiți” (prin urmele lor în dispozitivele de urmărire). Rezonanțele sunt detectate prin comportamentul caracteristic al secțiunilor transversale de împrăștiere a particulelor, precum și prin studierea proprietăților produselor lor de dezintegrare. Majoritatea particulelor elementare cunoscute aparțin în mod specific grupului de rezonanțe.

Descoperirea rezonanței D a fost de mare importanță pentru fizica particulelor.

Rețineți că stările excitate sau rezonanțe nu sunt obiecte complet noi ale fizicii. Ele erau cunoscute anterior în fizica atomică și nucleară, unde existența lor se datorează naturii compozite a atomului (format din nucleu și electroni) și a nucleului (format din protoni și neutroni). În ceea ce privește proprietățile stărilor atomice, acestea sunt determinate doar de interacțiunea electromagnetică. Probabilitățile scăzute de dezintegrare a acestora sunt asociate cu micimea constantei de interacțiune electromagnetică.

Stările excitate există nu numai în nucleon (în acest caz vorbim de stările lui izobare), ci și în p-mezonul (în acest caz vorbim de rezonanțe mezonice).

„Motivul apariției rezonanțelor în interacțiunile puternice nu este clar”, scrie Feynman, „la început, teoreticienii nici măcar nu au presupus că există rezonanțe în teoria câmpului cu o constantă mare de interacțiune. Mai târziu și-au dat seama că dacă constanta de interacțiune este suficient de mare , atunci apar stări izobare Cu toate acestea, adevăratul sens al faptului existenței rezonanțelor pentru teoria fundamentală rămâne neclar.”

Documente similare

fundalul secolului al XVII-lea. Istoria și conceptul tehnologiei. Câteva descoperiri care indică revoluția științifică și tehnologică (STR). Fenomene noi în cultura secolelor XIX-XX. Problemele globale ale secolului 20-21. Caracteristicile revoluției științifice și tehnologice, sens și concept.

rezumat, adăugat 22.06.2009


Concepte de bază și subiect de sociologie, principalele repere ale dezvoltării acesteia. Primii sociologi ai antichității. Sociologie occidentală clasică. Caracteristici ale învățăturilor lui Comte și Durkheim. Istoria dezvoltării sociologiei în Rusia. Conducerea politică și principalele sale tipuri.

test, adaugat 27.07.2011


Conceptul de informale și principalele lor trăsături. Istoria mișcării informale de tineret, motivele apariției acesteia. Principalele funcții ale asociațiilor de amatori. Clasificarea informalelor, activitățile lor, orientarea socială, opiniile, sarcinile și obiectivele.

rezumat, adăugat 16.08.2011


Istoria mișcării informale, motivele apariției acesteia. Mișcări informale: caracteristici generale și tendințe principale de dezvoltare. Informale de orientare artistică. Sfera culturii externe. Clasificarea și principalele caracteristici ale informalelor.

rezumat, adăugat 22.01.2011


Specificul și istoria dezvoltării organizațiilor non-profit rusești. Formarea sistemului rus de legislație privind organizațiile non-profit. Clasificarea ONG-urilor, obiectivele și principiile de funcționare ale acestora. Principiul beneficiului public. Tipologia NPO-urilor rusești.

test, adaugat 27.12.2016


Esența și principalele cauze ale sinuciderii, evaluarea prevalenței acestui fenomen negativ în lumea modernă. Istoria formării și dezvoltării conceptului de sinucidere în Japonia, justificarea sa morală, etică, culturală. Fenomenul kamikaze.

lucrare curs, adaugat 29.12.2013


Ce sunt abilitățile și clasificarea lor. Niveluri de dezvoltare a abilităților: abilitate, talent, talent, geniu; originea lor: genetică şi dobândită. Condiții pentru dezvoltarea abilităților. Influența abilităților asupra alegerii profesiei.

lucrare stiintifica, adaugata 25.02.2009


Istoria jucăriei „sovietice”. Aspectul sociologic al luării în considerare a jucăriilor. Importanța jucăriilor moderne pentru societate. trebuie să monitorizați ce și cum se joacă copilul dvs. Fii un exemplu pentru copilul tău. Creste cu el.

lucrare curs, adaugat 23.06.2006


Asociațiile de amatori, relația lor cu statul și instituțiile publice. Istoria și motivele apariției mișcării informale. Concept, sarcini, scopuri, cultură externă, simbolism, trăsături principale și clasificarea informalelor.

rezumat, adăugat 03.04.2013


Sinuciderea ca fenomen social, determinarea cauzelor sale principale, gradul de prevalență în societatea modernă, istoria și etapele cercetării. Problema sinuciderii după Emile Durkheim, clasificarea tipurilor lor. Aplicarea principiilor „sociologiei”.

 

Ar putea fi util să citiți:

• Compatibilitatea Pești și Pești: iubire altruistă sau relații instabile Compatibilitatea conform horoscopului Peștilor este ca;
• Cum să returnezi un bărbat iubit fără comunicare - conspirații dovedite ale vrăjitorilor puternici Cum să returnezi o persoană la tine;
• Scolecifobia și cum să o combatem;
• Experții sunt în favoarea extinderii operațiunii ISS;
• Structura și activitatea vitală a ciliatelor folosind exemplul ciliatului papuc;
• Arhiepiscopul Jonathan (Eletsky): La originile nașterii Bisericii Ortodoxe Ucrainene;
• Autoritățile din regiunea Kurgan nu plătesc capitala regională, guvernatorul Osipov îndeplinește orientările federale pentru transparența alegerilor.;
• Salata cu varza chinezeasca si batoane de crab Salata cu varza chinezeasca, porumb si crab;