Субатомные частицы — это строительные блоки Вселенной, компоненты размером меньше атома. Они имеют основополагающее значение для понимания законов природы и структуры материи. На протяжении всего этого урока мы приступаем к исследованию этих частиц, их свойств и того, как они взаимодействуют, закладывая основу для понимания физики элементарных частиц.
Стандартная модель — это теория, описывающая три из четырех известных фундаментальных сил во Вселенной, исключая гравитацию, и классифицирующая все известные субатомные частицы. Он делит эти частицы на фермионы (частицы материи) и бозоны (переносчики силы).
Фермионы делятся на кварки и лептоны, а бозоны включают фотоны, W- и Z-бозоны, глюоны и бозон Хиггса. Кварки объединяются, образуя протоны и нейтроны, компоненты атомных ядер, а лептоны включают в себя электроны, которые вращаются вокруг ядра.
Кварки бывают шести типов или «ароматов»: верхний, нижний, очаровательный, странный, верхний и нижний. На них действуют все четыре фундаментальные силы, включая сильное ядерное взаимодействие, удерживающее их вместе внутри протонов и нейтронов. Кварки никогда не встречаются изолированно из-за явления, называемого «удержанием цвета»; они существуют парами или группами по три человека, образуя адроны, такие как протоны (два верхних кварка и один нижний кварк) и нейтроны (два нижних кварка и один верхний кварк).
С другой стороны, лептоны не испытывают сильного ядерного взаимодействия. Электрон — самый известный лептон, часто встречающийся в облаке, окружающем атомное ядро. Другие лептоны включают мюон, тау и соответствующие им нейтрино, которые почти не имеют массы и очень слабо взаимодействуют с веществом.
Бозоны — это частицы, которые являются посредниками фундаментальных сил. Фотон является носителем электромагнитной силы, а W- и Z-бозоны ответственны за слабое ядерное взаимодействие, ответственное за процессы ядерного распада. Глюоны несут сильное ядерное взаимодействие, удерживая кварки вместе в протонах и нейтронах. Бозон Хиггса, открытый в 2012 году на Большом адронном коллайдере (БАК), связан с полем Хиггса, которое придает частицам массу.
Каждому типу частиц в Стандартной модели соответствует античастица, идентичная по массе, но противоположная по другим свойствам, таким как электрический заряд. Когда частицы и античастицы встречаются, они аннигилируют, превращая свою массу в энергию в соответствии с уравнением Эйнштейна \(E = mc^2\) , где \(E\) — энергия, \(m\) — масса и \(c\) — скорость света.
Несколько экспериментов сыграли решающую роль в нашем понимании субатомных частиц:
КХД — это теория, объясняющая сильное ядерное взаимодействие, одно из четырёх фундаментальных взаимодействий, действующих между кварками и глюонами. Он утверждает, что кварки обладают свойством, называемым «цветным зарядом», и что обмен глюонами, которые также несут цветовой заряд, опосредует сильное взаимодействие. Сила сильного взаимодействия уменьшается по мере приближения кварков — свойство, известное как «асимптотическая свобода».
Электрослабая теория объединяет электромагнитные и слабые ядерные взаимодействия в единую структуру. Это объясняет, как на высоких энергетических уровнях (например, сразу после Большого взрыва) эти две силы ведут себя как одна. Теория предсказывает существование W- и Z-бозонов, позднее подтвержденное экспериментально.
Несмотря на свой успех, Стандартная модель не является полной. Она не учитывает гравитацию, описываемую общей теорией относительности, и не объясняет темную материю и темную энергию, составляющие большую часть Вселенной. Такие теории, как суперсимметрия и теория струн, предлагают расширения Стандартной модели, вводя новые частицы и концепции в попытке раскрыть эти загадки.
В заключение отметим, что субатомные частицы, наиболее фундаментальные компоненты материи, являются неотъемлемой частью понимания структуры Вселенной и основных сил, формирующих ее. Изучение этих частиц с помощью теоретических основ, таких как Стандартная модель, и новаторских экспериментов продолжает бросать вызов и расширять наши знания о космосе.
