Известные нам элементарные (вроде бы) частицы

https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/the-known-apparently-elementary-particles/
  • Перевод
За последние 115 лет физики обнаружили, что практически всё материальное, включая камни, дождь, солнце и солнечный свет, океанские волны и радиоволны, можно описать в терминах частиц (и соответствующих им полей). Эксперименты обнаружили разнообразие типов частиц, которые на сегодняшний день кажутся нам элементарными (то есть, не состоят из более элементарных частиц). Всё сложное многообразие нашего привычного мира состоит из небольшого набора таких частиц. Остальные частицы мимолётны, они так быстро распадаются, что в обычных условиях мы их не встречаем. Но они могут хранить ключи к секретам Вселенной, остающимся недоступными для нас.

В этой статье вы найдёте небольшой обзор текущего понимания частиц и организации их в классы. Что-то вроде периодической таблицы частиц с парочкой подвохов. Кроме того, вы узнаете, что делает с частицами поле Хиггса и его критичную роль в жизни Вселенной.

Наше текущее понимание, вместе с простейшими гипотезами по поводу работы частицы и поля Хиггса сводится в набор уравнений под названием «Стандартная модель физики частиц», или просто «Стандартная модель». Элементарные частицы в Стандартной модели исторически обладают очень странными названиями, а также большим разбросом масс. На рис. 1:

• Я нарисовал более тяжёлые частицы сверху, а лёгкие – снизу. По моей логике, безмассовые частицы – это минимальный уровень, а верхнего предела для массы частиц нет. То есть, внизу есть жёсткий пол, а вверху – лишь небо.
• Вместо масс я привожу эквивалентные массы-энергии (E = mc2), которые обычно используются специалистами по физике частиц. Следить за энергией, которая не пропадает и не появляется, проще, чем следить за массой частиц, которая может изменяться в определённых процессах, к примеру, при распаде. Единица ГэВ примерно равна массе-энергии легчайшего атома, водорода.
• Я обозначил три класса частиц: заряженные лептоны (синие диски), нейтрино (чёрные диски) и кварки (красные диски). Кварки обычно делят на два класса, верхние и нижние, отличающиеся только электрическим зарядом. Важность такой классификации станет ясной позже.
• В прямоугольниках я указал три взаимодействия вместе с их частицами-переносчиками. Четвёртое взаимодействие, гравитацию, я исключил, чтобы не засорять картинку.
• Поле Хиггса (или нечто, играющее его роль) в природе в среднем ненулевое. Я его обозначил через зелёный фон.


Рис. 1

Что же это за частицы? У всех них есть античастицы, но для краткости я их опускаю. Давайте по-быстрому пробежимся по структуре материи, разбирая её до тех пор, пока не доберёмся до нужного уровня.

• Атомы, радиус которых примерно в миллиард раз меньше вашей головы, состоят их электронов и атомных ядер.
• Атомы поглощают и испускают частицы света, фотоны. Происходит это благодаря электромагнитному взаимодействию, переносимому фотоном (то есть, когда работает электромагнетизм, фотоны всегда присутствуют).
• Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, в 100 000 меньших, чем сам атом, и состоящих по большей части из верхних и нижних кварков (и антикварков) и глюонов.
• Протоны и нейтроны не разваливаются, а также удерживаются внутри ядра, благодаря сильному взаимодействию, переносимому 8-ю типами глюонов.
• Солнце светит, а некоторые атомные ядра распадаются из-за процессов преобразования кварков одного типа в кварки другого типа. При этом испускаются электроны и нейтрино, эти частицы исходят прямо из центра Солнца.
• Это преобразование кварков и испускание нейтрино происходит из-за слабого взаимодействия, переносимого частицами W+, W и Z0.
• Последнее известное нам взаимодействие – гравитация, которое, как предполагается, переносит гравитон. Из-за удивительной слабости гравитации эту частицу очень трудно обнаружить.

Практически все аспекты нашего мира определяются этими частицами. Но существуют и другие. Электрон, нейтрино-1, верхний кварк и нижний кварк называют одним «поколением» частиц – в данном случае под поколением имеется в виду примерно то же, что у фамильного дерева. Существуют два более тяжёлых поколения, в каждом из которых есть утяжелённые копии этих четырёх частиц.

• Второе поколение состоит из мюона, нейтрино-2, очарованного кварка и странного кварка.
• Третье поколение состоит из тау, нейтрино-3, t-кварка и b-кварка.

Структура поколений делит эти частицы на горизонтальные слои. Их также можно разделить вертикально, на упомянутые мною классы: люди часто говорит о «частицах электронного типа» или «заряженных лептонах», имея в виду электрон, мюон и тау, говорят о «нейтрино» в общем, и делят кварки на «верхние» (верхний, очарованный, t) и «нижние» (нижний, странный, b).

Возможно, вам интересно, почему у нейтрино такие скучные имена по сравнению с другими частицами. Мы их звали по-другому, но за последние 20 лет узнали о них много нового, и всё ещё продолжаем узнавать. Может, когда уляжется пыль, мы дадим им новые имена.

Про частицу Хиггса мы мало что знаем, но в ближайшее время узнаем больше.

Давайте приглядимся к различным массам. У них не только огромный разброс, но и нет какой-то явной системы. Вот некоторые замечания по поводу масс, начиная с самых лёгких частиц:

• Фотон и гравитон, вероятно, не имеют массы – их масса должна быть удивительно малой, чтобы существовали наблюдаемые межгалактические магнитные поля и огромные структуры Вселенной.
• Глюоны не имеют массы, насколько это вообще имеет смысл – они проводят свою жизнь в плену внутри таких адронов, как протоны, и измерить их массу напрямую непросто.
• Теоретики давно спорили по поводу наличия массы у нейтрино. Эксперименты последнего десятилетия разрешили этот спор (хотя из-за того, что полученные свидетельства непрямые, ещё есть пространство для манёвра). Массы нейтрино очень малы, самый тяжёлый из них по крайней мере в миллиард раз легче легчайшего атома (водорода), а масса самого лёгкого ещё меньше.
• Массы остальных частиц известны. Электрон примерно в 1800 раз легче водорода, t-кварк примерно в 400 000 раз тяжелее электрона, и всего на несколько процентов легче атома золота. Масса частиц W и Z примерно вполовину меньше массы t-кварка.
• Все обладающие значительной массой частицы имеют её из-за взаимодействия с полем Хиггса. Нейтрино могут получать массу не напрямую, но поле Хиггса играют важную роль и для них тоже. Этот факт я отметил через зелёные рамки различной толщины у дисков, обозначающих частицы.
• Масса-энергия частицы Хиггса — 125 ГэВ

На рис. 2 я сгруппировал частицы и взаимодействия по-другому.


Рис. 2

На рисунке показано, какие частицы напрямую влияют на какие. Я провёл линии между всеми типами частиц, напрямую взаимодействующими друг с другом. Что интересно отметить:
• Ничего из того, что часто называют частицами материи – заряженные лептоны, нейтрино или кварки – не взаимодействует друг с другом.
• Частицы материи взаимодействуют напрямую только с частицами, переносящими взаимодействия!

Это объясняет, почему переносчики взаимодействия называются именно так. Когда электрон в атоме взаимодействует с верхним кварком в атомном ядре, он делает это не напрямую. Электрон напрямую взаимодействует с фотоном, кварк взаимодействует с фотоном, и в результате (он довольно сложный и неинтуитивный) получается, что электрон притягивается к кварку, и наоборот. Точно так же взаимодействие между двумя кварками получается непрямым, и происходит из прямого взаимодействия кварков с глюонами. Все известные взаимодействия между частицами материи происходят не напрямую, в них участвуют переносчики взаимодействий. Когда вы открываете дверь, работают фотоны.

На рисунке также отмечено несколько важных свойств взаимодействий и классов частиц:

• Все частицы определённого класса подчиняются одному взаимодействию – именно это и определяет их принадлежность к классу. Нейтрино чувствуют только слабое взаимодействие. Сильное взаимодействие чувствуют только кварки и глюоны.
• Изогнутыми линиями показано, что некоторые из переносчиков взаимодействий напрямую взаимодействуют сами с собой или с другими переносчиками. Глюоны взаимодействуют сами с собой, но фотон сам с собой не взаимодействует (по крайней мере, не напрямую).
• В некотором смысле частица Хиггса также является переносчиком взаимодействия. Но это особый случай. Чем сильнее эффект, оказываемый взаимодействием Хиггса на частицу, тем больше масса этой частицы в ненулевом поле Хиггса. (Это утверждение верно для известных частиц, но может оказаться неверным для ещё не открытых). Я обозначил это градиентом зелёного поля, которое сверху становится темнее, что означает усиление эффекта для тяжёлых частиц. Точно так же частица Хиггса сильнее взаимодействует с тяжёлыми частицами, чем с лёгкими.

Этот мир выглядит ужасно странно, но хотите вы, или нет – он наш. Можно увидеть некоторые грубо обозначенные схемы, но всё-таки чёткой организации нет. Дезорганизация тем или иным образом оказывается связанной с полем (или полями) Хиггса.
Поделиться публикацией
Комментарии 29
    0

    Интересно а существуют ли теории, что известные элементарные частицы на самом деле не элементарны, а в основе всего лежит одна (или несколько действительно элементарных частиц) и одно универсальное взаимодействие? Если да можно ли о них где-то прочитать?

      +1
      Под такое описание подходит теория струн.
        +7
        Начнем с того, что квантовую физику, которая на этом масштабе вырастает уже в полный рост, нельзя свести к «частицам» или «взаимодействию» и прочим интуитивно-понятным (да и в принципе понятным) человеку вещам. Можно вывести какие-то формулы, описывающие какие-то закономерности, но там и близко не будет «частиц» или «взаимодействий» или ещё каких-то аналогий, которые мы способны представить (т.е. создать модель в своем сознании).
          –2
          Квантовая физика прекрасна была когда-то в теории. Однако давайте посмотрим, что из предложенных ею предсказаний сейчас осталось. Мгновенная передача информации с помощью запутанных частиц — нет, так как как минимум необходим не квантовый канал связи. Квантовые вычисления — нет, официальная версия так как на данный момент сложно сделать такое устройство, а на самом деле попросту частицы сугубо корпускулярны и не представляют из себя облако вероятностей. Квантовая криптография — нужен не квантовый канал + сложно но можно взломать при помощи man in the middle.

          Эффекта наблюдателя — с моей точки зрения нет. Чтобы окончательно не забили камнями. Приведу более подробную аргументацию. Опыт Юнга.
          1. Сначала заявляли, что когда работают оба детектора на щелях, то картина интерференции не наблюдается. Затем сменили заявления и стали говорить, что именно наблюдение человека за результатами детекторов влияет на то будет ли наблюдаться картина интерференции или нет.
          2. Сейчас некоторые ученые (которых между прочим не закидывают камнями за ересь) говорят что в действительности можно наблюдать эффект квантового стирания. То есть можно провести серию экспериментов в которых записывать данные с датчиков на один носитель информации (сделав после подпись на носителе о том, что это данные с датчиков), а данные с экрана на другой носитель информации (-||- с экрана). Затем положить в коробку и подписать номером эксперимента. Провести N экспериментов.
          После этого если мы вначале уничтожим данные с датчиков не глядя, а затем посмотрим данные с экрана то увидим две полосы (не интерференционную картину). Если же мы вначале посмотрим данные с датчиков, то при просмотре данных с экрана увидим интерференционную картину. Этот феномен обязан наблюдаться в 100% экспериментов.
          3. Где реальные наглядные физические эксперименты, которые это подтверждают? Почему не построить наглядные аттракционы подтверждающие это? Почему нам каждый раз демонстрируют 3D-модели экспериментов? Еще лет 20 назад можно было сделать наглядные аттракционы по наблюдению эффекта наблюдателя или квантового стирания… Я не сторонник теорий заговоров, но критический рационализм ни кто не отменял. Для квантовой механики это выглядит как минимум как слабость, а как максимум как научный подлог. Если кого-то интересует как провести наглядные эксперименты могу подробнее описать (квантовое стирание описано, причем это описание ученых которые утверждают что этот эффект — физическая реальность).
            +2
            Был такой забавный эксперимент по пропусканию через щели миллиметровых капелек масла. Для них понятное дело не нужно никаких детекторов, полёт можно просто на видео заснять.
            Но когда обобщили результаты — получили интерференционную картину
            http://www.physics.uni-altai.ru/events/2006/10/09/1160384520.html
              0
              1. Я нигде не писал, что интерференцию нельзя наблюдать в принципе (существует множество наглядных экспериментов хотя и для одновременного испускания множества частиц).
              2. В эксперименте получилась интерференционная картина, так же как и в случае единичных фотонов при отсутствии детекторов.
              3. Как уже писал в комментарии ниже: «В опыте Юнга вся «магия» происходит не из-за одновременного прохождения единичного фотона или электрона сквозь обе щели, а из-за особенности их взаимодействия с барьером. Получается, что барьер банально переизлучает фотон или электрон с «интерференционным» распределением вероятности.»
              Вот и в данном случае происходит «переизлучение» барьером капельки силиконового масла.
              А слова по ссылке «Получалось впечатление, что каждая капля проходила одновременно через обе щели и интерферировала сама с собой.» как раз и означают, что на самом деле капля проходила через одну щель, но меняла свою траекторию при взаимодействии с барьером на такую, что совокупность единичных экспериментов с каплей давала интерференционную картину. О чем я собственно и говорю (https://geektimes.ru/post/290347/#comment_10149173).
              0
              То, что вы перечислили относится к «популярной» квантовой физике. Эти вопросы по большей части являются философскими и спорить на их счёт можно долго (поэтому я не буду).
              По моему мнению лучше рассматривать квантфиз с практической точки зрения – только благодаря квантовой теории люди смогли объяснить электрическую проводимость тел, далее отсюда идёт обычный кремниевый микропроцессор, который нельзя было бы сделать без знания квантмеха – многие эффекты, на которых он работает, неинтуитивны и противоречат классической (ньютоновской) физике.
              Или другой пример – теория излучения. То, с чего во многом началась квантовая физика. Само понятие «квант» ввели в работе, объясняющей форму электромагнитного спектра. Любое занятие излучением (например дистанционное зондирование Земли со спутников) невозможно без учёта квантовомеханических эффектов, связанных с ислучением, поглощением и рассеиванием света. И всё это описывается квантовой механикой и описывается плохо (или не описывается вообще) классикой. И описывается с невероятной точностью, что указывает на то, что по-видимому теория не просто удачная, а реально описывает устройство окружающего мира.
              Если приводить более жизненные вещи, то даже объяснение того, почему Солнце светится и почему небо синее возможны только в рамках квантовой механики.
            0
            Про одно взаимодействие — теории есть, про одну частицу — не слышал (не представляю даже, как из одной частицы — можно получить 350 «элементарных»). По поводу взаимодействия — ищите «теорию великого объединения» и «теорию всего». Температуры, при которых происходит нарушение симметрии — есть в статье про большой взрыв.
              +1
              Из одной частицы получить 12 базовых (лептоны и кварки) — вполне можно, а уже из них — все остальные.
              –1
              Конечно есть такие. Просто они сейчас не в топе, пока людям работающим на различных коллайдерах не надоест открывать все новые и новые «элементарные» частицы.
              Хорошей ссылки на почитать именно для этого базового вопроса дать пока не могу, так как достойного полного описания особо нет.
              Однако могу кратко описать собственную концепцию, которая как раз подходит под ваши вопросы.
              1. Всё состоит из двух типов элементарных частиц квант-фотонов и квант-гравитонов. Все волновые свойства представлены совокупностью элементарных частиц за исключением пары экспериментов (здесь меня видимо сразу забьют камнями за «ересь»), например, интерференции на двух щелях (опыт Юнга). В опыте Юнга вся «магия» происходит не из-за одновременного прохождения единичного фотона или электрона сквозь обе щели, а из-за особенности их взаимодействия с барьером. Получается, что барьер банально переизлучает фотон или электрон с «интерференционным» распределением вероятности. Эффект наблюдателя легко объясняется оказыванием дополнительного воздействия на систему барьера. Если интересует данное направление, то могу потом еще поле подробно с доказательствами и обоснованиями описать.
              2. Квант-фотоны не взаимодействуют между собой. Квант-гравитоны не взаимодействуют между собой.
              Квант-фотоны взаимодействуют с квант-гравитонами, а именно отклоняют траектории друг друга при взаимодействии.
              3. Элементарные частицы никогда не исчезают и не появляются. Все «превращения» частиц стандартной модели есть ни что иное как обмен элементарными частицами двух или более систем (состоящих из элементарных частиц). Все эксперименты это подтверждают, но для большей наглядности здесь подходит, например, аннигиляция электрон-позитронной пары с выделением как правило пары фотонов (состоят из множества квант-фотонов) и квант-гравитонов (увы пока непосредственно наблюдать не можем).

              Могу и больше всего написать, но подозреваю, что сейчас народ не готов к дискуссии с использованием критического рационализма по теории кардинально отличающейся от главенствующих на данный момент. А смысла долбить головой в стену я не вижу…
                –1
                Обожаю когда минусуют без аргументации. Дескать вот есть общепризнанные теории и из-за этого они «правильные». Вот только поколение назад были другие теории, которые были «правильные», а теперь всё-таки один из достойных ученых мужей всё-таки уговорил других признать, что вначале нужно рассматривать факты и не рубить сплеча безосновательно. Тоже самое было и поколение до него и т.д. В своё время Ньютоновская механика была идеалом…
                На мой взгляд гораздо сложнее придумать вменяемую (аргументированную) теорию, чем быстро ее разрушить. И только разработка новых теорий может действительно двинуть науку вперед, а не топтаться почти на том же месте.
                0

                Теория струн.

                  –2
                  Да, существует такая гипотеза, хоть и история её возникновения довольно любопытна. Авторы проанализировали многие археологические находки, современные исследования и предложили гипотезу в которой элементарной частицей является т.н. септон. Электрон, к примеру, состоит из 13 септонов. Все частички располагаются в спиралевидной форме чем объясняется корпускулярно-волновой дуализм и вообще очень много предположений. Еще интересно, что с помощью этой гипотезы можно проверять ядерные реакции. Вот статья про электрон. Если интересно то на сайте найдете больше информации по вопросу.
                  +1
                  В статье написано, что верхнего предела для массы частиц нет. А как же Планковская масса?
                    0
                    ...предполагается, что она представляет собой верхний предел для масс элементарных частиц.

                    Это только предположение.
                    +2
                    Как-то соглашение название кварков в статье путается.

                    Их всего шесть типов

                    c-кварк (charmed, очарованный)
                    s-кварк (strange, странный)
                    t-кварк (top, истинный )
                    d-кварк (down, нижний, нейтронный)
                    b-кварк (bottom, beauty, красивый, прекрасный)
                    u-кварк (up, верхний)

                    Может добавить эту табличку в статью а в тексте их уже именовать кратко (s-кварк), чтобы не путаться?
                      0

                      Удалил

                        0
                        «когда работает электромагнетизм, фотоны всегда присутствуют.» правильно ли я понимаю, что за пределами нашей вселенной (в той части до которой она еще не расширилась) нет электромагнитного поля?
                          0

                          Возможно, как и то что фотон там массивный.

                            +2
                            Ну переводы итана ж каждую неделю говорят, что вселенная не расширяется на какую-то незанятую территорию, она уже занимает всю возможную территорию, и просто разбухает изнутри. Мы не можем строить теории о том, что за пределами вселенной. Мы не можем получить даже информацию с достаточно далеки участков внутри нее, чтобы определить, есть ли у нее пределы, и какова ее топология.
                              0
                              Понятно, я просто недавно стал интересоваться темой, извините за наивные вопросы. Тогда такой вопрос, возможно ли как-то создать участок пространства, в котором не будет электромагнитного поля. «Атомы поглощают и испускают частицы света, фотоны» т.е например сделать «вакуум» без атомов, запустить туда электронов, будут ли они взаимодействовать?
                                0
                                Ну, я тоже совсем не физик, и просто транслирую все что прочитал тут же на гиктайме =)

                                Думаю, что не можем. Мы не знаем, что нужно убрать, чтобы пропало поле. Оно как бы тут есть, даже когда нет частиц. Частицы это возмущения напряженности этих всяких полей. Как только мы запускаем в идеальный штиль игрушечный кораблик — электрон, он автоматически искривляет поле. На практике свободные электроны в вакууме очень даже взаимодействуют, так, чтобы их столкнуть требуется разгонять их и фокусировать магнитами, иначе простой поток электронов быстро рассеется от электростатического отталкивания. Но я не знаю, можно ли сказать что электроны создают вокруг себя поле, или что поле вездесуще, а они только искривляют его.
                            +2
                            интересно было бы еще услышать про взаимодействия на шкале расстояний.
                            На масштабах галактик, похоже, ничего кроме гравитационных и электромагнитных взаимодействий в этой модели нет. Довольно интересно почему — очень слабое гравитационное взаимодействие становится таким сильным, а сильное и слабое ядерные взаимодействия полностью пропадают на больших масштабах.
                              +1

                              радиус взаимодействия падает по экспоненте от массы переносчика.
                              т.е. слабое взаимодействие из за масс переносчиков действует на очень маленьких расстояниях.(W+-, Z)
                              у фотона и гравитона масса не обнаружена, причем для фотона есть еще обоснования через спин отсутствия массы.


                              Сильно взаимодействие действует между "цветовыми зарядами", но все частицы имеют цветовой заряд 0,.

                              0
                              Тогда вопрос на засыпку. Гравитация воздействует на фотоны предположительно не имеющих массы покоя.
                              Почему? То есть с гравитонами фотоны взаимодействуют???
                                +2
                                Гравитация искривляет пространство, фотоны движутся по искривлённым траекториям.
                                  0
                                  Хм. А закон сохранения импульса? Это все таки взаимодействие. Фотон изменяет траекторию и немного двигает тело которое его притягивает. Значит они чем-то обмениваются…
                                    0
                                    Фотон не притягивается, изменяется геометрия пространства и для стороннего наблюдателя кажется, что фотон притягивается, но с точки зрения фотона, он движется по прямой не испытывая никакого постороннего воздействия. ТО закон сохранения импульса не нарушается. Фотон не может обмениваться взаимодействием, он сам взаимодействие — бозон электромагнитного взаимодействия.
                                  –1
                                  Тут важно разделять понятия активной гравитационной массы и пассивной гравитационной массы.
                                  Гравитон по факту является источником активной гравитационной массы, а фотон — пассивной.
                                  То есть фотоны не излучают гравитацию/не обладают активной гравитационной массой/не включают в свой состав и, соответственно, не излучают гравитоны. Но обладают пассивной гравитационной массой, то есть на них оказывает воздействие гравитация и, в частности, единичные гравитоны. А именно гравитоны при взаимодействии с фотонами взаимно отклоняют траектории друг друга. Отсюда и вытекает корректность закона сохранения импульса.

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                Самое читаемое