Технологии Элементарные частицы

[Абармотик]

Мы публикуем только занимательную физику и интересные свойства (эффекты, исследования и подобное), так что...
Пусть вас не пугает название раздела.
Будет интересно))
Итак:

Что такое Прелестная физика:

Подробнее

Так в физике элементарных частиц называют физику прелестных кварков (b-кварков, от английского beauty — «прелестный»).

Это направление исследований, посвящённое изучению свойств этих экзотических фундаментальных частиц, которые обычно не встречаются в природе, но производятся в большом количестве на ускорителях частиц.
Почему это важно ?
-- Во-первых потому, что у прелестного кварка (b-кварка) множество вариантов распада. Частицы, содержащие этот кварк, могут распадаться сотнями разных способов, что дает широчайший простор для исследований. И исследование этих распадов даже выделилось в отдельный раздел физики.
-- Во-вторых потому, что при распадах прелестного кварка, часто нарушается СР-симметрия_* (ниже) , что дает возможность приблизиться к пониманию того, почему во Вселенной вещество преобладает над антивеществом...
_________
* Что такое C.P.T. - симметрия ?

Это фундаментальный принцип в физике элементарных частиц, утверждающий, что законы физики не меняются при одновременном применении трех преобразований:
C (Charge), P (Parity) и T (Time). То есть, процессы с частицами и античастицами в зеркальном отражении и обратном времени должны происходить с той же вероятностью, что в исходном виде, и эта симметрия, согласно срт - теореме, не должна нарушаться никогда, хотя отдельные симметрии C, P, и CP (C + P) могут нарушаться.

Разбор компонентов CPT:
-- C (Зарядовое сопряжение): Замена всех частиц на их античастицы (например, электрон на позитрон).
-- P (Четность/Пространственная инверсия): Создание зеркального отражения системы (инверсия пространственных координат
x→−x,y→−y,z→−z).
-- T (Обращение времени): Обращение направления времени.

Что такое Кварк:
Как известно, кварки (q) бывают видов:
-- верхний, см. u-кварк
-- нижний, см. d-кварк
-- очарованный, см. c-кварк
-- странный, см. s-кварк
-- истинный, см. >> Т-кварк
-- прелестный, см. b-кварк
.

 

[Абармотик]

Что такое Топ-кварк (истинный) :

Подробнее

Топ-кварк (истинный кварк, t-кварк)- фундаментальная частица, принадлежащая к третьему поколению кварков.
Время жизни топ кварка очень мало — около 5×10−25 секунды и он не успевает после возникновения адронизоваться (стать частью адрона), ведёт себя как «голый» кварк.
Распадается почти всегда на b-кварк и W-бозон (слабый распад). Около 9% распадов происходят с излучением лёгкого заряженного лептона (электрона или мюона) и соответствующего нейтрино.

Чем же важен топ-кварк ?
Дело в том, что изучение поведения топ-кварков, помогает изучению кварк-глюонной плазмы (>> здесь) — состояния материи, существовавшей в первые доли секунды после Большого взрыва. Поскольку топ-кварки быстро распадаются, учёные могут использовать эти распады для изучения эволюции плазмы и более глубокого понимания механизмов образования Вселенной.

 

[Абармотик]

Атомная структура.
Атомы состоят из :
-- протонов (положительные частицы)
-- нейтронов (нейтрально заряженных)
-- электронов (отрицательных частиц).

Нуклоны это частицы, являющиеся основными составляющими атомного ядра. К нуклонам относятся только протоны и нейтроны.

детали

С точки зрения электромагнитного взаимодействия протон и нейтрон — разные частицы, так как протон электрически заряжен, а нейтрон — нет. Однако с точки зрения сильного взаимодействия (которое является определяющим в масштабе атомных ядер) , эти частицы неразличимы, поэтому и был введён термин нуклон, а протон и нейтрон стали рассматриваться как два различных состояния нуклона.

Строение Протона и Нейтрона:
P

N

строение:

Ученые уточнили структуру протонов и нейтронов:

Первоначальная модель подразумевала, что в протоне — три кварка: два верхних (u) и один нижний (d) , а в нейтроне наоборот - два нижних и один верхний. Однако, серия экспериментов на ускорителях по глубоко неупругим столкновениям частиц показала, что структура протона и нейтрона гораздо сложнее.

В них присутствуют не только три «основных» кварка, но и множество пар кварк-антикварк, которые постоянно возникают и аннигилируют, создавая облако глюонов, которое и обеспечивает сильное взаимодействие, удерживающее вместе три основных кварка.

При этом, масса основных кварков составляет (примерно) только 2% от общей массы (протона и нейтрона), а остальную массу добавляет это глюонное облако...

Если интересно, история открытий:

Открытие нейтрона (1932) принадлежит физику Д. Чедвику, который объяснил результаты опытов В. Боте и Г. Беккера (1930), в которых обнаружилось, что вылетающие при распаде полония альфа-частицы, воздействуя на лёгкие элементы, приводят к возникновению сильно проникающего излучения. Чедвик первый предположил, что новое проникающее излучение состоит из нейтронов, и определил их массу.

В 1930 году В. Амбарцумян и Д. Иваненко показали, что атом не может, как считалось в то время, состоять только из протонов и электронов, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, рождаются в момент распада, и что кроме протонов, в ядре должны присутствовать некие нейтральные частицы.

В 1930 году В. Боте и его студент Герберт Беккер, работавшие в Германии, обнаружили, что если высокоэнергетичные альфа-частицы, испускаемые полонием-210, попадают на некоторые лёгкие элементы, в особенности на бериллий или литий, образуется излучение с необычно большой проникающей способностью. Сначала считалось, что это — гамма-излучение, но выяснилось, что оно обладает гораздо большей проникающей способностью, чем все известные гамма-лучи, и результаты эксперимента не могут быть интерпретированы таким образом. Важный вклад сделали в 1932 году Ирен и Фредерик Жолио-Кюри. Они показали, что если это неизвестное излучение попадает на парафин или любое другое соединение, богатое водородом, образуются протоны высоких энергий. Само по себе это ничему не противоречило, но численные результаты приводили к нестыковкам в теории. Позднее в том же 1932 году английский физик Джеймс Чедвик провёл в Кавендишской лаборатории в Кембридже серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Чедвик облучал бериллий альфа-частицами; при этом происходит следующая реакция: 9Be + 4He (α) = 12C + 1n. Он предположил, что образующееся излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и провёл серию экспериментов, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами. В том же 1932 году Д.. Иваненко и затем В. Гейзенберг предположили, что атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.

 

[Абармотик]

Я все-таки понимаю, что если кого-то заинтересует этот раздел и он начнёт разбираться, наверное тяжело будет что-то понять, без понимания юбщей структуры строительных блоков.
Давайте попробуем затронуть эту тему вскользь, основные взаимосвязи.
Что такое Стандартная модель :

простыми словами

Это теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, которая успешно описывает (три из 4х известных фундаментальных сил во вселенной): Электромагнитное, Слабое и Сильное взаимодействия. ( четвёртое - это Гравитационное взаимодействие, не принадлежащее стандартной модели).
Она также описывает множество элементарных частиц, таких как кварки, лептоны и бозоны, которые являются строительными блоками Вселенной.

Стандартная модель считает, что существуют следующие Фундаментальные частицы (фермионы):
-- 6 типов кварков*, из которых состоят тяжёлые частицы (адроны),
-- 6 типов лептонов* - частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях.
-------
* При этом существует
три поколения кварков и лептонов. (Частицы одного поколения связаны между собой сильнее, чем с частицами других поколений.)

Частицы-переносчики взаимодействий (бозоны) :
фотоны для электромагнитных* взаимодействий (Квантовая электродинамика),
W- и Z-бозоны для слабых* ядерных взаимодействий (Теория электрослабого взаимодействия),
глюоны для сильных ядерных взаимодействий (Квантовая хромодинамика).
------
* При этом электромагнитное и слабое ядерное взаимодействия являются проявлениями единого электрослабого взаимодействия
(При энергиях выше энергии объединения {порядка 100 ГэВ} они соединяются в единое электрослабое взаимодействие).

Бозон Хиггса — частица, которая обеспечивает массу других частиц: чем сильнее частица взаимодействует с бозоном Хиггса, тем больше её масса.

Ведутся поиски других типов фундаментальных взаимодействий, как в явлениях микромира, так и в космических масштабах, однако пока какого-либо другого типа фундаментального взаимодействия не обнаружено.

П. С. Стандартная модель не описывает Гравитационное взаимодействие (Общая теория относительности), т.к. споры о природе гравитации продолжаются до сих пор.

Если интересно - детально об открытиях:

Исследования XVIII—XIX веков привели к открытию атомарной структуры вещества, и стало понятно, что всё разнообразие этих сил есть результат взаимодействия атомов друг с другом. Поскольку основной вид межатомного взаимодействия - электромагнитное, то, как оказалось, большинство этих сил - лишь различные проявления электромагнитного взаимодействия. Одно из исключений составляет сила тяжести, причиной которой является гравитационное взаимодействие между телами, обладающими массой.

Таким образом, к началу XX века выяснилось, что все известные к тому моменту силы - сводятся к двум фундаментальным взаимодействиям: электромагнитному и гравитационному.

В 1930-е годы физики обнаружили, что ядра атомов состоят из нуклонов (протонов и нейтронов). Стало понятно, что ни электромагнитные, ни гравитационные взаимодействия не могут объяснить, что удерживает нуклоны в ядре. Было постулировано существование нового фундаментального взаимодействия: сильного ядерного взаимодействия. Однако в дальнейшем оказалось, что и этого недостаточно, чтобы объяснить некоторые явления в микромире. В частности, было непонятно - что заставляет распадаться свободный нейтрон. Тогда было постулировано существование слабого ядерного взаимодействия и этого оказалось достаточно для описания всех (до сих пор наблюдавшийся) явлений в микромире.

Некоторые физические теории предлагают существование дополнительной «пятой силы», вводимой для объяснения различных аномальных наблюдений, которые не могут быть объяснены с помощью Стандартной модели. Характеристики 5й силы зависят от деталей выдвигаемой теории, но многие теории сходятся на том, что 5я сила примерно должна быть сопоставима по силе - с гравитационным взаимодействием (то есть она намного слабее, чем электромагнитное и сильное взаимодействия), а диапазон действия 5й силы проявляется на расстояниях - от менее миллиметра до космологических масштабов.
5я сила, или пятое фундаментальное взаимодействие, - гипотетическое фундаментальное взаимодействие, которое может быть связано с тёмной материей или с тёмной энергией.

После открытия бозона Хиггса - поле Хиггса стали иногда называть пятым фундаментальным взаимодействием.
Предполагается, что количество фундаментальных взаимодействий зависит от вида коэффициента затухания в рассматриваемых уравнениях колебаний. При этом некоммутативная структура этого коэффициента свидетельствует в пользу существования поля Хиггса в качестве фундаментального взаимодействия.

Таким образом, в настоящее время фундаментальные взаимодействия описываются двумя общепринятыми теориями: общей теорией относительности и стандартной моделью. Их объединения пока достичь не удалось из-за трудностей создания квантовой теории гравитации. Для дальнейшего объединения фундаментальных взаимодействий используются различные подходы: теории струн, петлевая квантовая гравитация, а также М-теория.

Вообще, чтобы объединить все взаимодействия в общую теорию (Планка и Энштейна), нужно разработать теорию Всего. Ещё Энштейн начал работу над этой теорией, потратив много лет впустую. За ним тысячи учёных пытались перещеголять Альберта. Работы ведутся до сих пор, через математический аппарат (ну иногда и через уже существующие технологии, которых небыло при Энштейне).
Это приводит к появлению "пробников" и альтернатив, типа
>> Теории Великого объединения.
В теориях Великого объединения предполагается существование >> электроядерного взаимодействия (обясняющих принцип). Но моё мнение - пока науке далеко до Теории Всего.