Fyzika částic

Fyziky částic nebo podatomová fyzika je odvětví fyziky , že studie elementárních složek z materiálů a záření , jakož i jejich interakce . Někdy se jí také říká fyzika vysokých energií, protože mnoho elementárních nestabilních částic přirozeně neexistuje a lze je detekovat pouze při srážkách vysokých energií mezi stabilními částicemi v urychlovačích částic .

Objev Higgsova bosonu umožnil shodu a aktualizaci tabulky složek hmoty, která byla vytvořena v roce 2005 u příležitosti světového roku fyziky, v roce 2014.

Historický

Představa, že hmota je složena z elementárních částic daty přinejmenším od VI -tého století před naším letopočtem. AD . V té době to bylo zásadně založeno na neschopnosti zvládnout představu spojitého : viz paradoxy Zena z Elei .

Filozofická doktrína of atomismu byla studována řeckých filozofů , jako Leucippus , Democritus, a Epicurus . Přestože na XVII th století , Isaac Newton si myslel, že hmota je složena z částic, John Dalton , kteří v roce 1802 , oficiálně formuloval, že všechno je vyrobena z malých atomů. Tato hypotéza se nestala skutečně vědeckou, dokud jsme nevěděli, jak odhadnout velikost atomů (1865, Loschmidt ; 1870, lord Kelvin )

V roce 1869 , první periodická tabulka of Mendělejev nechá upevnit převládající názor v celé XIX -tého století ta záležitost byla vyrobena z atomů.

Thomsonova práce prokázala, že atomy jsou tvořeny lehkými elektrony a masivními protony . Rutherford stanoví, že protony jsou koncentrovány v kompaktním jádru. Zpočátku se předpokládalo, že jádro sestává pouze z omezených protonů a elektronů (aby se vysvětlil rozdíl mezi počtem nábojů a hmotností ), ale později se ukázalo, že je tvořeno protony a neutrony.

Ve XX th století, pokroky v oblasti jaderné fyziky a kvantové fyziky, s nádherným důkaz jaderného štěpení a jaderné fúze , porodila odvětví schopné produkovat atom od jiného dokonce i dělat možné (ale není ekonomicky rentabilní) Tento transmutace of vést do zlata .

Skrz padesátá a šedesátá léta byla v kolizních experimentech nalezena matoucí paleta částic: „částicová zoo“ (viz historie). Tento výraz ztratil na přitažlivosti po formulaci standardního modelu v 70. letech , protože o velkém počtu těchto částic se dalo uvažovat jako o výsledcích kombinací relativně malého počtu základních částic, i když výpočet vlastností složených částic je stále v plenkách a že mnoho parametrů standardního modelu nenalezlo uspokojivé vysvětlení jejich hodnot.

Hlavní data

1873 : Maxwell provádí důležitý výzkum ve čtyřech oblastech: barevné vidění, molekulární teorie, elektřina a magnetismus. Podaří se mu sjednotit poslední dvě jedinou teorií, elektromagnetismem . Tato Maxwellova teorie umožňuje popsat šíření světelných vln ve vakuu a předpovědět teoreticky neomezené frekvenční spektrum.
1874 : George Stoney rozvíjí teorii elektronu a odhaduje jeho hmotnost.
1895 : Röntgen objevil rentgenové záření .
1896 : Becquerel objeví radioaktivitu z uranu .
1897 : Thomson objevil elektron a vytvořil model, kde je atom popsán jako entita neutrálního náboje (obsahující kladné jádro s malými zápornými elektrony).
1898 : Marie a Pierre Curie oddělují radioaktivní prvky.
1900 : Planck navrhuje interpretovat odchylky v barvě žhavého tělesa jako funkce teploty a vyřešit určité matematické problémy spojené s tímto problémem: záření je kvantifikováno (pro každou frekvenci je vyzařováno balíčky energie, hodnoty nebo kvanta, v závislosti na frekvenci).
1905 : Einstein navrhuje, aby se kvantum světla, které bude v roce 1926 pojmenováno „foton“, chovalo jako částice. Einsteinovy další teorie vysvětlují ekvivalenci hmoty a energie, vlnovou částicovou dualitu fotonů, princip ekvivalence a speciální relativitu .
1909 : Hans Geiger a Ernest Marsden pod vedením Rutherforda posílají částice alfa na tenkou vrstvu zlata a někdy pozorují velké úhly rozptylu, což naznačuje existenci pozitivně nabitého, malého a hustého jádra (kolize je vzácná) uvnitř atomu .
1911 : Rutherford dospěl k závěru, že jádro existuje jako výsledek experimentu rozptylu alfa provedeného Geigerem a Marsdenem.
1913 : Bohr konstruuje teorii atomové struktury na základě kvantových předpokladů.
1919 : Rutherford dokazuje existenci protonu.
1921 : Chadwick a ES Bieler k závěru, že síla velkou intenzitou udržuje jádro spojených, a to i přes Coulombova elektrostatické odpuzování mezi protony.
1923 : Compton objevuje kvantovou (částicovou) povahu rentgenových paprsků a potvrzuje, že fotony jsou částice.
1924 : de Broglie navrhuje vlnové vlastnosti částic tvořících hmotu.
1925 : Pauli formuluje princip vyloučení pro elektrony uvnitř atomu. W. Bothe a Geiger demonstrují, že energie a hmotnost jsou zachovány v atomových procesech.
1926 : Schrödinger vyvíjí vlnovou mechaniku , která popisuje chování kvantových systémů pro bosony . Born dává pravděpodobnostní interpretaci kvantové mechaniky. Lewis navrhuje název fotonu pro kvantum světla.
1927 : Objev β rozpadu .
1928 : Dirac navrhuje svou relativistickou vlnovou rovnici pro elektron .
1930 : Pauli navrhuje existenci neviditelného neutrina , aby mohl interpretovat zjevné zmizení energie v rozpadu β .
1930 : Elementární částice, včetně elektronu, protonu , neutronu (v jádře), neutrina v rozpadu β , fotonu , kvanta elektromagnetického pole.
1931 : Objev pozitronu ( Anderson ). Dirac zjistí, že pozitron je také popsán jeho rovnicí. ${\ displaystyle e ^ {+}}$
1932 : James Chadwick objevuje neutron . $ne$
1933 / 34 : Fermiho vzorec jeho teorie beta rozpadu ( slabé interakce ): Př. . ${\ displaystyle n \ to p + e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e}}$
1935 : Yukawa formuluje svou hypotézu o mezonech : Jaderná síla je způsobena výměnou masivních částic, mezonů.
1937 : Objev leptonu µ . Přestože má zhruba očekávanou hmotnost pro mezon Yukawa, nemá dostatečně silné interakce s hmotou, aby mohla hrát tuto roli.
1938 : Prohlášení zákona zachování baryonického čísla .
V roce 1946 / v roce 1947 : Objev meson načtení se kolík ( Powell ), předpokládá v roce 1935. je produkován beta rozpadem: . ${\ displaystyle \ pi ^ {\ pm}}$ $\ mu$ ${\ displaystyle \ pi ^ {+} \ to \ mu ^ {+} + \ nu _ {\ mu}}$
V roce 1946 / 1.950 : kvantová teorie elektromagnetismu (QED) ( Feynman , Schwinger a Tomonaga ).
1948 : Umělá výroba . ${\ displaystyle \ pi ^ {+}}$
1949 : Objev . ${\ displaystyle K ^ {+}}$
1950 : Objev piona neutrální . ${\ displaystyle \ pi ^ {0} \ to \ gamma + \ gamma}$
1951 : Objev událostí ve „ V “: rozpad částic a „podivně“ dlouhá průměrná životnost. To je interpretováno ve smyslu nového kvantového čísla , „podivnosti“, konzervovaného silnými a elektromagnetickými interakcemi. ${\ displaystyle K ^ {0}}$ ${\ displaystyle \ Lambda}$
1952 : Objev Δ (vzrušený stav nukleonu ).
1954 : Yang a Mills navrhují neabelovské teorie měřidel .
1955 : Objev antiprotonu ( Chamberlain a Segrè ). ${\ displaystyle {\ bar {p}}}$
1956 : Lee a Yang naznačují, že slabá síla může způsobit narušení parity .
1956 : Objev porušení parity atomů 60 Co podle Chien-Shiung Wu a Amber .
1960 / 1970 : Discovery of stovky částic "elementární" ${\ displaystyle (\ rho, ~ \ omega, ~ K ^ {\ ast}, ~ \ Sigma, ~ \ Xi, ~ \ ldots)}$
1961 : Murray Gell-Mann navrhuje „osminásobnou cestu“ SU (3) ke klasifikaci všech těchto částic.
1962 : Objev dvou neutrin a . ${\ displaystyle \ nu _ {\ mu}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {e}}$
1964 : Existence kvarků a (předpokládané Gell-Mannem a Zweigem ), složky, které by mohly být základem klasifikace podle SU (3). ${\ displaystyle u, ~ d}$ $s$
1964 : Nový tvaroh , se doporučuje. ${\ displaystyle c}$
1964 : Discovery of narušení CP v systémech podle Cronin , Fitch , Christenson a Turlay . ${\ displaystyle K ^ {0} - {\ bar {K}} ^ {0}}$
1965 : Navrhuje se kvantové číslo barvy: všechny pozorované částice mají neutrální barvu. Proto nemůžeme pozorovat barevné kvarky.
1967 : Glashow , Salam a Weinberg navrhují schéma sjednocení elektromagnetických a slabých sil. Předpověď existence Higgsova bosonu a těžkých bosonů a desetkrát hmotnějšího než dosud známé elementární částice. ${\ displaystyle Z ^ {0}}$ ${\ displaystyle W ^ {\ pm}}$
1968 - 1969 : SLAC detekuje strukturu bodové nukleonu.
1973 : Prohlášení o teorii silných interakcí mezi barevnými částicemi (QCD). Predikce existence gluonů .
1973 : Předpokládá se asymptotická svoboda .
1974 : Objev a částice obsahující zaklínadlo kvark , na Stanford University a Brookhaven .J/ψ{\ displaystyle J / \ psi} ${\ displaystyle c}$
1976 : Discovery of třetinu nabitý lepton se . ${\ displaystyle \ tau ^ {-}}$
1976 : Objev kouzelného mezonu a potvrzení existence kvarku . ${\ displaystyle D ^ {0}}$ ${\ displaystyle c}$
1978 : Objev pátého kvarku, dna , ve Fermilab . ${\ displaystyle b}$
1979 : Demonstrace gluonu na DESY .
1983 : Objev a v CERNu . ${\ displaystyle Z ^ {0}}$ ${\ displaystyle W ^ {\ pm}}$
1990 : Studium rozpadu na LEP (CERN), ukazuje, že počet neutrin „lehký“ ( GeV ) je omezena na 3. ${\ displaystyle Z ^ {0}}$ ${\ displaystyle m \, <\, 45}$
1995 : Objev šestého kvarku, vrcholu , ve Fermilab . $t$
1998 : Důkaz o existenci neutrin nenulové hmotnosti v Super-Kamiokande .
2012 : Experimenty ATLAS a CMS na LHC v CERNu objevily boson, který se podobá Higgsově bosonu s hmotností 126 GeV / c 2 v rámci jedné jednotky.

Klasifikace subatomárních částic

Elementární částice lze rozdělit do různých podkategorií podle jejich vlastností.

Leptony , hadrony a kvarky

Leptony

Tyto leptony (z řeckého Leptos, lehké, tak pojmenovaný protože jejich hmotnosti jsou relativně malé), se vyznačují následujícími vlastnostmi:

Nedostatek silné interakce (nemají barvu ).
Celočíselné elektrické náboje (násobky náboje elektronu).
„Slabý“ náboj je seskupuje do dvojic, které se nazývají slabé interakční dublety .
Poslušnost statistiky Fermi-Dirac (to jsou fermiony ).

Tři známé páry, rodiny nebo generace leptonů jsou:

${\ displaystyle e ~ - ~ \ nu _ {e}}$ (elektron a jeho neutrino)
${\ displaystyle \ mu ~ - ~ \ nu _ {\ mu}}$ (mion a jeho neutrino)
${\ displaystyle \ tau ~ - ~ \ nu _ {\ tau}}$ (tau a jeho neutrino)

Hadrony

Tyto hadrons (z řeckého hadros , „velké, tlustý“), se vyznačují následujícími vlastnostmi:

Přítomnost silné interakce (zvaná „reziduální“, aby se odlišila od silné barevné interakce vázající kvarky a gluony dohromady).
Celočíselné elektrické náboje (násobky náboje elektronu).
Slabé interakce.
Ústava z kvarků.

Hadrony proto nejsou základní částice, ale spíše vázané stavy kvarků. Je jich více než 200. Lze je rozdělit do dvou skupin: baryony (z řeckého barusu , těžké), jimž přiřazujeme speciální kvantové číslo (baryonické číslo), v zásadě tvořené třemi kvarky, a mezony, (z řeckého mesos , „medium“) zodpovědný za silné „zbytkové“ interakce mezi hadrony, a kterým je dáno baryonické číslo 0, protože jsou složeny z kvarku a antikvarku.

Zde jsou nejčastěji pozorované hadrony ( rotace 1/2 baryonů , rotace 0 mezonů a rotace 3/2 baryonů) - na těchto obrázcích svislá osa orientovaná dolů dává podivnost S , vodorovná osa I 3 složku isospin, a šikmá osa Q elektrický náboj; částice jsou reprezentovány růžovými kruhy a vedle nich se objevuje jejich symbol (y); kruhy rozdělené na dvě představují dvě částice označené opačně, které se liší různými vlastnostmi, zejména jejich hmotností, které nejsou na těchto diagramech zobrazeny. Nakonec je v každém kruhu uveden obsah hlavního kvarku:

Roztočte baryony 1/2

„Byte“ z 8 docela podobných baryonů. To odpovídá vlastnostem symetrie mezi složkovými kvarky, což se odráží zejména na rozdílu v hmotnosti mezi dvěma centrálními prvky Λ 0 a Σ 0 .

Baryonový bajt ( spin 1/2 )

Podivnost 0	${\ displaystyle n, ~ p}$	neutron a proton (nukleony)
Podivnost 1	${\ displaystyle \ Sigma ^ {-}, ~ \ Sigma ^ {0}, ~ \ Sigma ^ {+}}$	3 Sigma
Podivnost -1	${\ displaystyle \ Lambda ^ {0}}$	1 lambda
Podivnost 2	${\ displaystyle \ Xi ^ {-}, ~ \ Xi ^ {0}}$	2 Xi

Spin mezony 0

Toto „nonet“ 9 docela podobných mezonů je rozděleno na „bajt“ 8 a „singlet“.

Nonet mezonů ( spin 0 )

Podivnost -1	${\ displaystyle K ^ {0}, ~ K ^ {+}}$	2 kaony
Podivnost 0	${\ displaystyle \ pi ^ {-}, ~ \ pi ^ {0}, ~ \ pi ^ {+}}$	3 pěšci
Podivnost 0	$\ eta$	2 státy
Cizí +1	${\ displaystyle K ^ {-}, ~ {\ bar {K}} ^ {0}}$	2 anti-kaony

Roztočte baryony 3/2

Zde je symetrie mezi členy decupletu výraznější: osa elektrického náboje Q odpovídá, s výjimkou konstanty, počtu kvarků u , hodnota podivnosti S počtu kvarků s a třetí osa, nevystopovaná, půlení mezi dvěma předcházejícími, s počtem kvarků d .

Baryonův decuplet ( spin 3/2 )

Podivnost 0	${\ displaystyle \ Delta ^ {-}, ~ \ Delta ^ {0}, ~ \ Delta ^ {+}, ~ \ Delta ^ {++}}$	4 Delta
Podivnost 1	${\ displaystyle \ Sigma ^ {* -}, ~ \ Sigma ^ {* 0}, ~ \ Sigma ^ {* +}}$	3 vzrušená Sigma
Podivnost 2	${\ displaystyle \ Xi ^ {* -}, ~ \ Xi ^ {* 0}}$	2 Xi nadšený
Podivnost 3	${\ displaystyle \ Omega ^ {-}}$	1 Omega

Kvarky

Tyto kvarky jsou elementární částice, které tvoří částice pozorované.

Silně interagují (podléhají silné interakci)
Nesou zlomkové elektrické náboje.
Mají nízký náboj a tvoří slabé interakční dublety.
Jsou také spojeny s barevným nábojem (3 možné barvy, jsou to trojice), kterým procházejí silnou interakcí.
Poslouchají statistiku Fermi-Dirac (jsou to fermioni ).

Existuje šest druhů nebo příchutí kvarků: nahoru , dolů , podivné , kouzlo , horní a dolní (nebo pravda a krása z historických důvodů). Stejně jako leptony mohou být seskupeny do dubletů, které jsou uhlíkovými kopiemi, s výjimkou jejich hmot.

Klasifikace kvarku

Kvarky		Starožitnosti
Q = 2/3	Q = -1/3	Q = -2/3	Q = 1/3
$\ mathbf {u}$ (nahoru)	$\ mathbf {d}$ (dolů)	$\ mathbf {\ bar {u}}$ (anti-up)	$\ mathbf {\ bar {d}}$ (proti dolů)
$\ mathbf {c}$ (kouzlo)	$\ mathbf {s}$ (zvláštní)	$\ mathbf {\ bar {c}}$ (anti-kouzlo)	$\ mathbf {\ bar {s}}$ (anti-divný)
$\ mathbf {t}$ (horní)	$\ mathbf {b}$ (dno)	$\ mathbf {\ bar {t}}$ (anti-top)	$\ mathbf {\ bar {b}}$ (proti dnu)

Obecně existuje podezření, že rodiny kvarků a leptonů jsou příbuzné; jsou tři z každého. V roce 2007 se zdá, že toto tvrzení podporuje pouze argumenty symetrie.

Gluony

Tyto gluony jsou elementární částice, které drží hadrony vazbou kvarky dohromady.

Silně interagují (nositelé silné interakce)
Jsou elektricky neutrální.
Nemají slabou interakci.
Jsou také spojeny s barevným nábojem (8 možných barev, to je jeden bajt), a proto procházejí silnou interakcí.
Poslouchají statistiku Bose-Einstein (jsou to bosony ).

Existuje pouze osm gluonů, které interagují se všemi typy nebo příchutěmi kvarků, ale také navzájem, protože jsou samy zbarveny. Díky tomu jsou výpočty matematicky velmi komplikované, a proto je skutečnost, že pokrok v architektuře částic je velmi pomalý, ačkoli teorie je formálně známá.

Kvůli intenzitě silné interakce jsou kvarky a gluony, které jsou obarveny, podrobeny barevnému omezení , což znamená, že je nelze pozorovat izolovaně. Pouze kombinace, kde se všechny barvy navzájem kompenzují ( bílé kombinace ), mohou tvořit volné hadrony.

Existence tří rodin

Sada elementárních částic se zdá být schopná rozdělit se do tří rodin (tento počet tří je základním parametrem standardního modelu , nezaměňovat s počtem barev přenášených kvarky, další základní parametr):

Bosoni a fermioni

Kvantová mechanika zavádí pojem vnitřní moment hybnosti částice, rotace . Může nabývat hodnot, které jsou násobky . Určuje také typ statistiky, které je částice vystavena. ${\ displaystyle \ hbar / 2 = h / 4 \ pi}$

Bosons : Jsou to částice celočíselného spinu ( ), které se řídí Bose-Einsteinovou statistikou , to znamená, že systém dvou identických bosonů označený indexy 1 a 2 je popsán funkční vlnou, která je symetrická pod výměnu částic: . ${\ displaystyle 0, ~ \ hbar, ~ 2 \ hbar, ~ 3 \ hbar, ~ \ ldots}$ ${\ displaystyle \ psi _ {12} = + \ psi _ {21}}$

Fermiony : Jsou to částice poločíselného spinu ( ), které se řídí statistikou Fermi-Dirac , tj. Systém dvou identických fermionů označených indexy 1 a 2, je popsán vlnovou funkcí, která je při výměně částic antisymetrická: . Zejména dva fermiony nemohou být ve stejném stavu, jinak tento vztah ukazuje, že jejich vlnová funkce by byla nulová, což je absurdní ( Pauliho vylučovací princip ). ${\ displaystyle \ hbar / 2, ~ 3 \ hbar / 2, ~ 5 \ hbar / 2, ~ \ ldots}$ ${\ displaystyle \ psi _ {12} = - \ psi _ {21}}$

Částice a antičástice

Pojem antičástice navrhl Paul Dirac v roce 1928 . Některá řešení rovnice, která nese jeho jméno, zřejmě nesou negativní energii. Dirac interpretoval tato řešení následovně: ve skutečnosti je prázdný prostor souborem všech těchto řešení. Pokud někdo přinese dostatek energie do části vakua představovaného jedním z těchto řešení, stane se z něj pozitivní energetické řešení a ponechá své místo prázdné. Díra, která byla tímto roztokem pozitivní energie ponechána prázdná, se jeví jako částice negativní energie a jejíž vlastnosti (například elektrický náboj) jsou opačné než u normálních řešení. Tomu se říká antičástice.

Antičástice se proto vyznačuje:

náboj a kvantová čísla opačná k číslům přidružené částice;
hmota a životnost identická s hmotností odpovídající částice.

Podle dohody je antičástice označena horní čárou, což je užitečné pouze v případě, že ji nelze rozlišit podle jejího náboje. Mohli bychom například napsat: ${\ displaystyle {\ overline {e ^ {-}}} ~ = ~ {\ bar {e}} \, ^ {+} ~ = ~ e ^ {+}}$

Interakce a pole

Mezi klasická mechanika a kvantová teorie pole mají různé přístupy, pokud jde o psaní interakce.

V klasické mechanice, když existuje pole produkované částicou 1 v poloze částice 2, interaguje s hodnotou tohoto pole.
V kvantové teorii pole je interakce interpretována jako výměna kvant. Řídí se zákony zachování kvantových čísel a kvadri hybnosti. To se řídí vlnovou rovnici v mezích od Heisenberg nejistotu zásady :

${\ displaystyle \ Delta E \ krát \ Delta t \,> \, \ hbar}$ a ${\ displaystyle \ Delta x \ krát \ Delta p \,> \, \ hbar}$

Přechodné stavy se nazývají „virtuální“, například virtuální foton může mít kvadri-pulz, že : pokud je omezen, pak je energie zachována pouze v rámci odchylek . ${\ displaystyle p ^ {2} \ neq 0}$ $\ Delta t$ ${\ displaystyle \ Delta E ~ \ sim ~ \ hbar / \ Delta t}$

Elektromagnetická interakce

Elektromagnetická interakce je charakterizována následujícími vlastnostmi:

uvedení do hry elektricky nabitých částic;
spojka ; ${\ displaystyle \ alpha = e ^ {2} / 4 \ pi \ hbar c \ epsilon _ {0} \ přibližně 1/137}$
doba interakce a / nebo typické průměrné životnosti ≈ 10-20 s ;
typické průřezy ≈ 10 −33 m 2 ;
výměna fotonů ( ); $\ gama$
${\ displaystyle m _ {\ gamma} = 0}$ , tedy rozsah (důsledek principu nejistoty). ${\ displaystyle R ~ = ~ \ infty}$

Slabá interakce

Typické projevy slabé interakce jsou:

Β rozpad neutronu, např. ; $n \ to p + e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e}$
Zachycení antineutrin, např. ; $p + {\ bar {\ nu}} _ {e} \ až n + e ^ {+}$
Hadronové rozpady mohou procházet slabými, elektromagnetickými nebo silnými interakcemi, ale jejich charakteristiky se liší v závislosti na způsobu rozpadu:

Režimy rozpadu hadronu

		Interakce
		slabý ( ) $\ Sigma ^ {-} \ to n + \ pi ^ {-}$	elektromagnetické ( ) $\ Sigma ^ {0} \ to \ Lambda + \ gamma$	silný ( ) $\ Delta ^ {++} \ to p + \ pi ^ {+}$
Reakce	$\ Delta S$	1	0	0
	$\ Delta I.$	1/2	1	0
	$\ tau$	10 −10 s	10 -19 s	5 × 10 −24 s

kde je změna kvantového čísla podivnosti, změny izotopového spinu, a je průměrná životnost nebo doba trvání interakcí. Silná interakce musí udržovat S a já , elektromagnetické S , ale ne já , a slabé také. Z tohoto důvodu existuje možnost, aby jeden nebo druhý v procesu dominoval. $\ Delta S$ $\ Delta I.$ $\ tau$

Slabé interakce jsou pak charakterizovány následujícími vlastnostmi:

uvedení neutrin nebo kvarků, které mění chuť, tj. částice se „slabým nábojem“;
Vazba nízká (široké protony) ; $\ alpha _ {\ mathrm {Fermi}} = G_ {F} m_ {p} ^ {2} / 4 \ pi (\ hbar c) ^ {3} \ přibližně 10 ^ {- 6}$
doba interakce a / nebo typická průměrná životnost ≈ 10 −8 s ;
průřez ≈ 10 −44 m 2 ;
výměna bosonů W ± (nabité proudy) a Z 0 (neutrální proud);
m W = 80 GeV, tedy rozsah R = 10 −18 m (stále princip nejistoty).

Elektromagnetické a slabé (elektroslabé) interakce jsou sjednoceny v modelu Glashow - Weinberg - Salam ( 1967 ). Ale při nízké energii je symetrie narušena a obě síly se zdají zcela odlišné. Slabé interakce zahrnují slabou vazbu g W a výměnu bosonů měřidla W ± a Z 0 . Slabé reakce jsou charakterizovány amplitudou pravděpodobnosti formy:

Amplituda ≈ g 2 W / (q 2 - M 2 W, Z )

kde q 2 je čtverec čtyřpulzu přeneseného výměnou kvanta.

V limitu q 2 → 0 se teorie Glashow-Weinberg-Salam redukuje na teorii slabých interakcí Fermi (1935), kde interakce zahrnující čtyři částice jsou ad hoc a G síla F , konstanta Fermi . $G_ {F} / (\ hbar c) ^ {3} =$ ${\ displaystyle 1 {,} 1 \ krát 10 ^ {- 5} ~ \ mathrm {GeV} ^ {- 2}}$

Model Glashow-Weinberg-Salam má oproti Fermiho teorii výhodu v tom, že je renormalizovatelný, to znamená, že má vypočítatelné chování při vysoké energii (při hmotnosti W a Z a výše).

Je to také příklad sjednocení sil (slabých a em).

Elektroslabá interakce

Interakce elektroslabá je interakce, která sjednocuje elektromagnetismu a slabé interakce.

Silná interakce

Silná interakce je běžná při srážkách hadronů s vysokou energií. Zahrnuje na základní úrovni interakce mezi kvarky a gluony . Nacházejí se například při srážce, jejíž doba trvání je přibližně τ = 10 −23 s . Silné interakce se vyznačují následujícími vlastnostmi: ${\ displaystyle K ^ {-} + p \ to \ Sigma ^ {0}}$

výměna částic nesoucích barevný náboj (kvarky a / nebo gluony);
velmi silná vazba: α s ≈ 1;
doba interakce a / nebo typická průměrná životnost ≈ 10 −23 s ;
typický průřez ≈ 10 −30 m 2 ;
uvěznění kvarků a gluonů ;
asymptotická svoboda ;
efektivní dosah R = 10 −15 m kvůli porodu.

Gravitační interakce

V současné době neexistuje uspokojivá teorie kvantové gravitace z hlediska fenomenologie , ačkoli teorie superstrun je dobrým kandidátem ( smyčková kvantová gravitace však nenavrhuje sjednocení gravitace s jinými interakcemi standardního modelu ). Naproti tomu gravitační kvantová teorie by měla mít následující charakteristiky:

zapojit vše, co má energetickou hmotu a které proto mění metriku časoprostoru (tenzor energie-hybnosti);
mají velmi slabou vazbu na subatomární úrovni: typická vazba mezi dvěma protony je α G = G N m 2 p / 4π = 4,6 × 10 −40 ;
graviton , spin 2 interakce bozon, odpovídá kvantové kolísání metriky;
nulová hmotnost gravitonu, gravitace má nekonečný rozsah.

Souhrnná tabulka

elementární částice	fermiony	leptony	Účtováno	elektron : ${\ displaystyle e ^ {-}}$
				mion : ${\ displaystyle \ mu ^ {-}}$
				tauon : ${\ displaystyle \ tau ^ {-}}$
			Neutrina	elektronický: ${\ displaystyle \ nu _ {e}}$
				muonic: ${\ displaystyle \ nu _ {\ mu}}$
				tauonic: ${\ displaystyle \ nu _ {\ tau}}$
		kvarky	Poplatek +2/3	nahoru: $u$
				kouzlo: ${\ displaystyle c}$
				horní : $t$
			Poplatek -1/3	dolů: ${\ displaystyle d}$
				zvláštní: $s$
				spodní část / krása: ${\ displaystyle b}$
	bosony	měřicí bosony	Elektromagnetismus	foton : $\ gama$
			Slabá interakce	Boson Z : ${\ displaystyle Z ^ {0}}$
				Boson W -: ${\ displaystyle W ^ {-}}$
				Boson W +: ${\ displaystyle W ^ {+}}$
			Silná interakce	gluon
		hypotetické / potvrzené bosony	Gravitace	graviton
			Inflace	inflaton
			Int. nízká el	Higgsův boson
složené částice ( hadrony )	baryony ( fermiony )	"Světlo"	nukleony	neutron : $ne$
				proton : $p$
			jiný	Delta: ${\ displaystyle \ Delta ^ {++} ~ \ ldots ~ \ Delta ^ {-}}$
				...
		hyperony	S = - 1	Lambda: ${\ displaystyle \ Lambda ^ {0}}$
				Sigma: ${\ displaystyle \ Sigma ^ {+}, \, \ Sigma ^ {0}, \, \ Sigma ^ {-}}$
			S = - 2	Xi: ${\ displaystyle \ Xi ^ {0}, \, \ Xi ^ {-}}$
			S = - 3	Omega: ${\ displaystyle \ Omega ^ {-}}$
		očarované baryony C = 1	S = 0	Lambda-C: ${\ displaystyle \ Lambda _ {c} ^ {+}}$
				Sigma-C: ${\ displaystyle \ Sigma _ {c} ^ {++}, \, \ Sigma _ {c} ^ {+}, \, \ Sigma _ {c} ^ {0}}$
			S = 1	Xi-C: ${\ displaystyle \ Xi _ {c} ^ {+}, \, \ Xi _ {c} ^ {0}}$
			S = 2	Omega-C: ${\ displaystyle \ Omega _ {c} ^ {0}}$
		Baryonské dno	B = 1	Lambda-B: ${\ displaystyle \ Lambda _ {b} ^ {0}}$
	mezony ( bosony )	"Světlo"	S = 0	pěšec : ${\ displaystyle \ pi ^ {+}, \, \ pi ^ {0}, \, \ pi ^ {-}}$
				eta : ${\ displaystyle \ eta ^ {0}}$
				rho : ${\ displaystyle \ rho ^ {+}, \, \ rho ^ {0}, \, \ rho ^ {-}}$
				phi : ${\ displaystyle \ phi ^ {0} ~ (s {\ bar {s}})}$
			S = 1	kaon : ${\ displaystyle {\ bar {K}} ^ {0} \, (s {\ bar {d}}), ~ K ^ {-} \, (s {\ bar {u}})}$
		Čarodějky	"Zdánlivý"	Meson D : ${\ displaystyle D ^ {+} \, (c {\ bar {d}}), ~ D ^ {0} \, (c {\ bar {u}})}$
			„Skrytý“	Meson J / ψ : ${\ displaystyle J / \ psi ^ {0} \, (c {\ bar {c}})}$
		Dno	"Zdánlivý"	Meson B : ${\ displaystyle B ^ {0} \, (b {\ bar {d}}), ~ B ^ {-} \, (b {\ bar {u}})}$
			„Skrytý“	Meson upsilon : ${\ displaystyle \ Upsilon ^ {0} \, (b {\ bar {b}})}$
	a mnoho dalších ...

Standardní model

Současný stav klasifikace elementárních částic se nazývá „ standardní model “.

Popisuje základní síly : silné , slabé a elektromagnetické pomocí zprostředkujících bosonů známých jako měřicí bosony . Měřicími bosony jsou příslušně gluony , W ± a Z bosony a foton .

Model také obsahuje 12 základních částic, které jsou složkami hmoty : rodina fermionů, která se skládá z kvarků , leptonů a jejich antičástic.

Předpovídá také existenci typu bosonu známého jako Higgsův boson .

Hlavní interakce s hmotou

V závislosti na jejich povaze a energii budou částice interagovat s hmotou různými způsoby. Jedná se o následující interakce:

Nabité částice

Světelné částice: elektrony, pozitrony

Bremsstrahlung (brzdné záření), dominantní nad 10 MeV.
Neelastická difúze s atomy (elektronický proces).
Elastická difúze s jádry.
Čerenkovovo záření .
Jaderné reakce (nízký příspěvek).

Těžké částice: miony, protony, alfa, piony

Neelastický rozptyl s atomy (dominantní typ interakce).
Elastická difúze s jádry: málo přenesené energie, protože částice jsou lehčí než jádro.
Tzv. Para-statická difúze agregací záření jader v elastickém stavu a dominantní interakcí typu Čerenkov.
Čerenkovovo záření .
Jaderné reakce.
Bremsstrahlung .

Nenabité částice

Fotony

Na rozdíl od nabitých částic, které ukládají energii nepřetržitě podél své dráhy, jsou interakce fotonů lokalizovány.

Když procházejí médiem, fotony procházejí určitou vzdálenost, aniž by byli ovlivněni, a poté náhle ukládají energii následujícími interakcemi:

Fotoelektrický efekt .
Comptonova difúze .
Vytváření párů . ${\ displaystyle e ^ {-} e ^ {+}}$
Jaderné reakce (nízký příspěvek).

Pravděpodobnost vzniku interakce je podél trajektorie konstantní, a proto počet přežívajících fotonů klesá v geometrických (exponenciálních) řadách po ujeté vzdálenosti.

Frakce fotonů, které zůstanou po překročení vzdálenosti x, je e -µx, kde µ je absorpční koeficient, vyjádřený v cm -1 . Je to součet absorpčních koeficientů různých interakcí pro různé složky materiálu.

Absorpce se může pohodlněji parametrizovány hmotností koeficient útlumu μ / ρ vyjádřeno v cm 2 / g , v podstatě nezávislý na hustotě p absorpčního materiálu, a v závislosti pouze na jejím složení.

Neutrony

Elastická difúze ;
Nepružná difúze ;
Jaderný záchyt ;
Jaderné reakce : (n, 2n), (n, a), (n, xn), (n, p);
Jaderné štěpení .

Neutrina

elektroslabé interakce (tvorba leptonů ). Velmi slabé při nízké energii rychle rostou jako funkce energie.

Výroba a detekce částic

Studie částic začaly studiem záření emitovaného radioaktivními látkami a přenosnými nebo stolními detektory částic umožňujícími detekovat několik elementárních částic pomocí TPN . Chcete-li detekovat další částice, musíte změnit energetickou hladinu.

Nejprve jsme se uchýlili k pozorování kosmických paprsků ve výšce, abychom snížili degradaci způsobenou křížením atmosféry. To umožnilo podstatně vylepšit detektory, protože bylo nutné zvětšit jejich povrch s ohledem na nízký počet zajímavých kosmických paprsků. Poté jsme se obrátili ke konstrukci urychlovačů částic , poskytující homogenní a dobře kalibrovaný paprsek částic, jejichž energetickou hladinu jsme postupně dokázali zvyšovat. Současně detektory pokročily, aby mohly studovat interakce takto vyrobených částic.

V současné době experimenty s částicovou fyzikou provádějí týmy v rámci mezinárodní spolupráce, které jsou odpovědné za vytváření detektorů specifických pro požadovaný typ experimentů a jejich instalaci v blízkosti urychlovačů, které také vytvářejí silné mezinárodní spolupráce.

Hlavní mezinárodní akcelerátory jsou:

CERN (Evropská organizace pro jaderný výzkum), který se nachází na hranici francouzsko-švýcarské nedaleko Ženevy . Jeho hlavním vybavením je Super Proton Synchrotron , kruhový urychlovač sloužící LHC, stejně jako několik experimentů, LEP , velký elektronový a pozitronový urychlovač, který je nyní demontován, a LHC , velký protonový urychlovač, uvedený do provozu v září. 2008 ve starém tunelu LEP.
the DESY (DESY) se sídlem v Hamburku v Německu . Jeho hlavním zařízením je HERA, kde dochází ke kolizím mezi elektrony nebo pozitrony a protony.
SLAC (Stanford Linear Accelerator Center), který se nachází v blízkosti Palo Alto , ve Spojených státech . Jeho hlavním zařízením je PEP-II (srážky elektronů a pozitronů).
Fermilab nebo FNAL (Fermi National Accelerator Laboratory), který se nachází nedaleko Chicaga ve Spojených státech. Jeho hlavní instalací je Tevatron (srážky protonů a antiprotonů).
Brookhaven National Laboratory , nebo BNL, který se nachází na Long Island , Spojené státy americké. Jeho hlavním zařízením je relativistický těžký iontový urychlovač , kde jsou studovány srážky mezi těžkými ionty, jako jsou zlaté ionty a protony.

Existuje mnoho dalších urychlovačů částic.

Poznámky a odkazy

Nicolas Arnaud, „ Jak šířit, i nedávné, znalosti ve fyzice částic? “ Dossier pour la vědu , n o 85,Říjen-prosinec 2014

Podívejte se také

Bibliografie

Elementární částice (série článků), Les Dossiers de la Recherche , č. 23 - květen-červenec 2006
Jean Iliopoulos, Nad rámec standardního modelu, Pour La Science , č. 361, listopad 2007, str. 90–96
Daniel Vignaud, De neutrinos en neutrinos, Pour La Science , č. 361, listopad 2007, str. 106–107