Бозоны и фермионы — в помощь студенту

Бозоны и фермионы - в помощь студенту Частицы стандартной модели, с массами, указанными в левом верхнем углу. Три левых столбца занимают фермионы, два правых — бозоны Во всей Вселенной есть только два типа фундаментальных частиц: фермионы и бозоны. Каждая частица, в дополнение к обычным, известным вам свойствам, вроде массы и электрического заряда, обладает присущим ей количеством углового момента, известного, как спин. Частицы с полуцелыми спинами (±1/2, ±3/2, ±5/2,..) известны, как фермионы. Частицы с целыми спинами (0, ±1, ±2,..) — бозоны. Других частиц, фундаментальных или составных, во Вселенной нет. Но почему это имеет значение? Наш читатель спрашивает:Не могли бы вы объяснить разницу между фермионами и бозонами? Что меняется при переходе от целого спина к полуцелому? На первый взгляд, разбитие частиц на категории по таким свойствам кажется случайным. Бозоны и фермионы - в помощь студенту Известные частицы в Стандартной Модели. Всё это фундаментальные частицы, открытые напрямую. У гравитона, пока неоткрытого, спин будет равен 2. В конце концов, частица и есть частица, не так ли? Конечно же между кварками (подверженными воздействию сильного взаимодействия) и лептонами (не подверженными ему) разницы больше, чем между фермионами и бозонами? Конечно же, разница между материей и антиматерией значит больше, чем спин? А наличие или отсутствие массы — это гораздо больше, чем что-то настолько тривиальное, как угловой момент? Оказывается, что со спином связано несколько небольших, имеющих значение, отличий, но есть два серьёзных отличия, имеющих гораздо больше значения, чем это кажется большинству людей, и даже большинству физиков. Бозоны и фермионы - в помощь студенту Фотоны, частицы и античастицы в ранней Вселенной. Она была заполнена бозонами и фермионами, а также всеми представимыми антифермионами

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Первое — только у фермионов есть копии среди античастиц. Античастица для кварка — антикварк. Античастица электрона — позитрон, а у нейтрино есть антинейтрино. Бозоны, с другой стороны, являются античастицами других бозонов, и много бозонов является античастицей самими себе. Не существует такой вещи, как антибозон. Столкнуть фотон с другим фотоном? Z0 с другой Z0? Это то же самое, с точки зрения взаимодействия материи и антиматерии, что и аннигиляция электрона и позитрона.

Бозоны и фермионы - в помощь студенту Бозон — такой, например, как фотон — может быть античастицей сам себе, но фермионы и антифермионы отличаются (как электрон и позитрон)

Из фермионов можно создавать композитные частицы: два верхних кварка и один нижний дают протон (фермион), один верхний и два нижних дают нейтрон (феримон).

Из-за особенностей работы спина, если взять нечётное число фермионов и связать их вместе, то новая, композитная частица будет вести себя, как фермион. Именно поэтому существуют протоны и антипротоны, и поэтому нейтрон отличается от антинейтрона.

А частицы, состоящие из чётного количества фермионов, например комбинация кварк-антикварк (известная, как мезон), ведёт себя, как бозон. Нейтральный пион π0 сам себе является античастицей.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Виды горных пород - в помощь студенту

Оценим за полчаса!

Причина проста: каждый из этих фермионов представляет собой частицу со спином ±1/2. Если сложить две частицы вместе, вы получите объект со спином -1, 0, или +1, то есть целым (а следовательно, это бозон). Если сложить три, вы получите спин -3/2, -1/2, +1/2, или +3/2, то есть, фермион. Так что разница в частицах и античастицах довольно большая. Но есть и второе различие, возможно, ещё более важное. Бозоны и фермионы - в помощь студенту Энергетические уровни для наиболее низких возможных энергий в нейтральном атоме кислорода. Поскольку электроны — это фермионы, а не бозоны, все они не могут существовать на первом уровне, даже при сколь угодно низких температурах

Принцип запрета Паули применим только к фермионам, но не к бозонам. Он постулирует, что в любой квантовой системе два фермиона не могут занимать одно и то же квантовое состояние. У бозонов таких ограничений нет. Если взять ядро атома и начать добавлять к нему электроны, первый электрон перейдёт в основное состояние — состояние с самой низкой энергией.

Поскольку это частица со спином 1/2, состояние его спина может быть либо +1/2, либо -1/2. Если вы добавите к атому второй электрон, его спин окажется в противоположном состоянии, и он тоже перейдёт в состояние с наименьшей энергией.

Но если вы добавите ещё электронов, они не смогут перейти в основное состояние, и им нужно будет обосноваться на следующем энергетическом уровне.

Бозоны и фермионы - в помощь студенту Энергетические уровни и волновые функции электронов, соответствующие различным состояниям атома водорода. Именно поэтому периодическая система элементов Менделеева устроена таким образом. Поэтому у атомов разные свойства, они связываются вместе в такие сложные комбинации, и поэтому каждый элемент таблицы уникален: конфигурация электронов в каждом атоме отличается от всех остальных. То, что два фермиона не могут находиться в одном квантовом состоянии, приводит к появлению определённых физических и химических свойств элементов, к огромному количеству молекулярных комбинаций и к фундаментальным связям, благодаря которым возможны сложные химические реакции и жизнь. Бозоны и фермионы - в помощь студенту То, как атомы связываются и формируют молекулы, включая органические, возможно только благодаря принципу запрета Паули С другой стороны, в одно и то же квантовое состояние можно привести сколько угодно бозонов! Это позволяет создавать особые бозонные состояния, известные, как конденсаты Бозе-Эйнштейна. Охлаждая бозоны так сильно, что они переходят в состояние с наименьшей энергией, вы можете разместить любое их количество в одном месте. Гелий (состоящий из чётного числа фермионов, поэтому ведущий себя, как бозон), при низких температурах превращается в супержидкость — результат конденсации Бозе-Эйнштейна. На сегодняшний день в такое состояние сумели привести газы, молекулы, квазичастицы, и даже фотоны. В этой области до сих пор ведутся активные исследования. Бозоны и фермионы - в помощь студенту Атомы рубидия до (слева), во время (в середине) и после (справа) перехода в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна. На графике показано, как атомы конденсируются из менее плотных красных, жёлтых и зелёных областей в более плотные голубые и белые То, что электроны — это фермионы, приводит к тому, что карликовые звёзды не коллапсируют под собственным весом; то, что нейтроны — фермионы, приводит к тому, что коллапс нейтронных звёзд останавливается в какой-то момент. Принцип запрета Паули, отвечающий за атомную структуру, удерживает плотнейшие из физических объектов от превращения в чёрные дыры. Бозоны и фермионы - в помощь студенту Белый карлик, нейтронная звезда и даже кварковая звезда всё равно состоят из фермионов.

Когда материя или антиматерия аннигилируют или распадаются, они разогревают систему до температур, зависящих от того, подчиняются ли частицы статистике Ферми-Дирака (для фермионов) или Бозе-Эйнштейна (для бозонов). Поэтому сегодня температура реликтового излучения равна 2,73 К, а фонового нейтринного излучения — на 0,8 К меньше: это произошло благодаря аннигиляции и этим статистикам, работавшим в ранней Вселенной.

Бозоны и фермионы - в помощь студенту Подгонка количества нейтрино для совпадения с данными по флуктуации реликтового излучения. Данные совпадают с нейтринным излучением, энергетически эквивалентная температура которого равна 1,95 К — много меньше, чем у фотонов реликтового излучения То, что у фермионов спин полуцелый, а у бозонов — целый, интересен сам по себе, но гораздо более интересно то, что два этих класса частиц подчиняются различным квантовым правилам. На фундаментальном уровне эти различия делают возможным наше существование. Это неплохой результат для такой мелочи, как разница в ±1/2 во внутреннем угловом моменте. Но обширные последствия казалось бы чисто квантового правила иллюстрируют, насколько важным может быть спин, и разница между бозонами и фермионами.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

Источник: https://habr.com/post/408557/

1. Систематика частиц. Фермионы, бозоны. Лептоны, адроны, калибровочные бозоны

  • Бозоны и фермионы - в помощь студенту
  • Бозоны и фермионы - в помощь студенту
  • Бозоны и фермионы - в помощь студенту
Взаимо-действие Характернаяконстантавзаимо-действия Частицы, участвующиево взаимо-действии Квантывзаимо-действия Массакванта(ГэВ) Характерноевремявзаимо-действия (с) Характерныйрадиусвзаимо-действия (см)
Сильное 1 Кварки(адроны) Глюон 10—23-10—25 ¦ 10—13
Электромагнитное 10—2 Заряженные частицы gквант 10—18 infinite
Слабое 10—6 Все частицы W¦ -бозон,Z0-бозон 80—91 10—12 10—16
Гравита-ционное 10—38 Все частицы Гравитон-? infinite
n p e
Масса, МэВ/c2 939.6 938.3 0.511
Спин, 1/2 1/2 1/2
Заряд,(4.8·10—10 CGSE) +1 -1
Магнитный момент, -1.91 2.79
Период полураспада 10.4 мин. Стаб. Стаб.

Схема распада нейтрона: Бозоны и фермионы - в помощь студенту

Статистика — свойство системы тождественных частиц. Статистика является следствием принципа неразличимости частиц одного сорта (тождественных частиц) и вероятностного характера событий в микромире.

2 частицы (1, 2). 2 состояния (y1, y2). Классический случай Бозоны и фермионы - в помощь студенту Статистика Бозе-Эйнштейна Бозоны и фермионы - в помощь студенту Статистика Ферми-Дирака Бозоны и фермионы - в помощь студенту Принцип Паули Бозоны и фермионы - в помощь студенту Многочастичный случай Симметричные состояния a = +1. Статистика Бозе-Эйнштейна. Бозоны (J = 0, 1, 2, …). Антисимметричные состояния a = -1. Статистика Ферми-Дирака. Фермионы (J = 1/2, 3/2, …).

Все сильновзаимодействующие частицы (адроны) с полуцелым спином имеют барионный заряд B=+1. Адроны с целым спином (мезоны) — B =0. Сильновзаимодействующие античастицы с полуцелым спином имеют B=-1. В замкнутой системе барионный заряд сохраняется.

Частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, называются адронами. Они подразделяются на барионы, имеющие барионный заряд B=1, и мезоны, для которых B=0. Барионы являются фермионами (имеют полуцелый спин), мезоны являются бозонами (имеют нулевой или целочисленный спин).

Адроны также характеризуются квантовыми числами s (странность), c (очарование), b (красота), t (истина), изоспином I и его третьей проекцией I3. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях, имеют спин 1/2 и лепто нные заряды Le, Lm, Lt.

Взаимодействие Сильное Электромагнитное Слабое
Аддитивные законы сохранения:
Электрический заряд, Q + + +
Энергия, E + + +
импульс, p + + +
Угловой момент, J + + +
Барионный заряд, B + + +
Лептонные заряды, + + +
Странность, s + +
Очарование, c + +
Красота, b + +
Истина, t + +
Изоспин, I +
Проекция изоспина, I3 + +
Мультипликативные законы сохранения:
Пространственная четность, P + +
Зарядовая четность, C + +
Временная четность, T + +
Комбинированная четность, CP + +
CPT-четность + + +
G-четность +
Читайте также:  География средневековья - в помощь студенту

 В процессе взаимодействий и превращений частиц выполняются определенные законы сохранения. Информация о том, какие величины сохраняются в различных взаимодействиях, приведена выше.

Знак «+» («-») показывает, что данная величина сохраняется (не сохраняется).

 В аддитивных законах сохраняется сумма величин, в мультипликативных законах — произведение величин, которые могут быть равны +1 или -1.

Лептоны

Частица Масса Время жизни
ne < 7 eV стабильно
nm < 0.17 MeV стабильно
nt < 24 MeV стабильно
e 0.511 MeV >4.3×1023 лет
m 105.66 MeV 2.2×10—6 с
t 1777 MeV 2.9×10—13 с

L — лептонное число

Лептонные числа Le, Lm, Ltприсваивают частицам, образующим группу лептонов. Лептонные числа Le, Lm, Lt имеют значения, равные -1, 0, 1. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях.

Лептонные числа Le, Lm, Ltс охраняются во всех видах взаимодействий

Частица Масса Время жизни, ширина Спин J
80.33 ГэВ 2.07 ГэВ 1
91.19 ГэВ 2.49 ГэВ 1
Частица Масса, mc2, МэВ Время жизни t или ширина G Спин-четность, изоспин, JP(I) Основные моды распада
139.57 2.6×10-8с 0-(1)
p0 134.98 8.4×10-17 с 0-(1) 2g
494 1.2×10-8 с 0-(1/2)
498 KL 5.2×10-8 сKS 0.9×10-10 с 0-(1/2) KL: p+p-p0; p0p0p0KS : p+p-; p0p 0
h 547 1.18 КэВ 0-(0) 2g; 3p0
r¦ , r0 770 150 МэВ 1-(1) 2p
w 782 8.4 МэВ 1-(0) 3p
j 1019 4.4 МэВ 1-(0) 2K
J/y 3097 87 КэВ 1-(0) адроны; e+e-; m+m-
9460 52 КэВ 1-(0) адроны; e+e-; m+m-; t+t —
Частица Масса, mc2, MeV Время жизни t или ширина G Спин-четность, изоспин, JP(I) Основные моды распада
p (N+) 938.27 >1.6×1025 лет 1/2+(1/2)
n (N0) 939.57 887 c 1/2+(1/2)
L 1116 2.6×10-10 с 1/2+(0) np0; pp-
S+ 1189 0.8×10-10 с 1/2+(1) np+; pp0
S0 1193

Источник: https://phys.spbu.ru/72-studentlectures/manida-subatom/652-chapter1.html

Бозоны и фермионы

Задача 2. Молекулы гелия, прилипшие к стенкам сосуда образуют двухмерный газ. Энергия отрыва молекулы от стенки равна 10-4 эВ. Чему равен показатель адиабаты для прилипшего к стенке гелия? При какой характеристической температуре произойдет переход гелия в нормальное состояние?

Задача 3. По классической теории, твердое тело представляет собой большую систему связанных осцилляторов. На одну колебательную степень свободы в состоянии теплового равновесия приходится энергия kБT. Чему равна молярная теплоемкость кристалла по классическим соображениям? Качественно объясните уменьшение теплоемкости кристалла при низких температурах.

занятие 2.1.13

  • тождественные частицы
  • 2. Бозоны и фермионы
  • 2.1 Двухчастичные состояния

Один из наиболее поразительных принципов квантовой механики относится к описанию состояний многих частиц. Чтобы понять его содержание, рассмотрим опыт по рассеянию двух частиц друг на друге в системе центра масс.

Бозоны и фермионы - в помощь студентуПредставим, что сталкиваются две разные частицы a и b и частица a рассеивается в направлении 1, а частица b — направлении 2. Пусть f(J) — амплитуда этого процесса; тогда вероятность P1 наблюдения данного события равна |f(J)|2. Могло случиться, конечно, что частица b рассеялась в счетчик 1, а частица a — в счетчик 2. Вероятность этого события равна была бы в этом случае |f(pJ)|2. Если нас интересует вероятность срабатывания детектора 1, вне зависимости от того, какая частица в него попала, то эта вероятность будет равна сумме вероятностей попадания или частицы a, или частицы b: Pразн=|f(J)|2+|f(pJ)|2. Рассмотрим теперь, что случится, если рассеиваются идентичные частицы, например, две a-частицы. Удивительно, что в природе рассеяние происходит так, как будто попадание частицы a в детектор 1 и попадание частицы b в этот детектор являются двумя способами осуществления одного и того же события. Амплитуда срабатывания детектора равна сумме амплитуд попадания в него частицы a или частицы b. Вероятность срабатывания детектора 1 равна Pтожд=|f(J)+f(pJ)|2. (1) Например, если J=p/2, то вероятность срабатывания детектора 1 при рассеянии тождественных частиц Бозоны и фермионы - в помощь студенту (2) оказывается в два раза большей, чем при рассеянии нетождественных частиц.

Амплитуда процесса, в котором участвуют две тождественные частицы, равна сумме амплитуды осуществления этого процесса и амплитуды процесса, в котором частицы обменялись ролями:

(Амплитуда процесса)+(Амплитуда обмена) (3)

Надо сказать, что существует еще один класс тождественных частиц. В отличие от a-частиц амплитуда того, что произойдет процесс, в котором участвуют две тождественные частицы этого класса, равна разности амплитуды процесса и амплитуды процесса, в котором частицы обменялись ролями.

(Амплитуда процесса)-(Амплитуда обмена) (4)

Частицы, поведение которых описывается амплитудами, интерферирующими в фазе, называются бозе-частицами или бозонами, а частицы, поведение которых описывается амплитудами, интерферирующими в противофазе, называются ферми-частицами или фермионами. Ниже приведена таблица бозонов и фермионов.

Бозоны Cпин j
(собственный моментимпульса)
Фермионы Cпин j
(собственный моментимпульса)
Фотон ћ Электрон
aчастицы Протон
Пионы Нейтрон
Каоны Мюон
rмезон ћ Нейтрино
A-резонанс 2ћ Dчастица

Все бозоны имеют спин, равный целому числу единиц постоянных Планка, а фермионы — полуцелому.

Вывод: амплитуда процесса, в котором участвуют два бозона равна сумме амплитуды осуществления этого процесса и амплитуды процесса, в котором частицы обменялись ролями, а амплитуда процесса, в котором участвуют два фермиона, равна разности амплитуды осуществления этого процесса и амплитуды процесса, в котором частицы обменялись ролями.

Бозоны и фермионы - в помощь студенту

Таким образом, правило состоит в том, что сложные объекты в тех обстоятельствах, когда их можно считать неделимыми объектами, ведут себя, как бозоны или как фермионы, смотря по тому, содержится в них четное или нечетное число фермионов.

К примеру, во всех атомных процессах ядра гелия 4He (a-частица) ведут себя, как бозоны, так как содержат два протона и два нейтрона.

А вот ядра изотопов гелия три — 3He — во всех атомных процессах ведут себя, как фермионы, так как содержат два протона и один нейтрон.

Бозоны и фермионы - в помощь студентуЗадача 1. Диаметр ближайших к Земле звезд слишком мал, и его нельзя определить даже при помощи лучших современных телескопов, поскольку их угловое разрешение больше “углового диаметра” звезд. Диаметр звезд впервые определил Майкельсон, используя оптический интерферометр. Но точности этого метода едва хватает для самых близких звезд. В 1956 г. Браун и Твисс предложили новый метод для таких измерений. Они опробовали его на звезде Сириус. Для этого они взяли два параболических рефлектора, в фокусе каждого из которых был установлен фотоумножитель. Выходы фотоумножителей соединялись с электронной схемой, которая пересчитывала случаи совпадения попадания фотонов в оба фотоумножителя. По поведению скорости счета совпадений в зависимости от расстояния между приемниками определялся угловой размер звезды. В то время многие физики утверждали, что этот метод не годится, поскольку свет — это фотоны, а каждый фотон попадает либо в один, либо в другой приемник, и никаких интерференционных эффектов в совпадении попаданий не должно быть. Вы можете опровергнуть этот аргумент, рассматривая следующий идеализированный эксперимент. Два небольших источника света A и B находятся очень далеко от фотоумножителей a и b. Геометрические условия опыта показаны на рисунке. С детекторами a и b соединены счетчики, сосчитывающие числа фотонов P1 и P2, регистрируемых в секунду каждым счетчиком. Счетчики a и b включены, кроме того, еще в “схему совпадений”, которая регистрирует P12 — количество случаев в единицу времени, когда фотоны попадут в фотоумножители одновременно. Пусть aA амплитуда появления фотона, испущенного источником A, в детекторе a, аналогично определим aB, bA и bB. Амплитуда того, что фотоны, испущенные источниками A и B, одновременно окажутся соответственно в детекторах a и b равна aAbB. Покажите, что скорость счета совпадений пропорциональна 2+cos2k(R2-R1), где k волновое число фотонов, R2 и R1 — расстояния от одного из источников до детекторов. Как использовать этот результат для определения D, если L известно?

Источник: http://fiziku5.ru/uchebnye-materialy-po-fizike/bozony-i-fermiony

Просто о сложном: бозоны, фермионы, кварки и другие элементарные составляющие Вселенной

Экология познания. Наука и открытия: Из-за обширной терминологии большинство популярных книг и статей по физике элементарных частиц не углубляются дальше самого факта существования кварков. Сложно что-либо обсуждать, если широкой аудитории не до конца понятны основные термины.

Из-за обширной терминологии большинство популярных книг и статей по физике элементарных частиц не углубляются дальше самого факта существования кварков. Сложно что-либо обсуждать, если широкой аудитории не до конца понятны основные термины.

Студент МФТИ и сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий Владислав Лялин взял на себя функцию путеводителя в то, что называется Стандартной моделью, — главенствующую физическую теорию, объясняющую все известные науке частицы и их взаимодействие между собой, то есть устройство Вселенной на самом глубоком уровне.

Бозоны и фермионы - в помощь студенту

Итак, все состоит из молекул, а молекулы состоят из атомов. Атом состоит из ядра и облаков электронов вокруг него, которые совершают куда более сложные движения, чем просто вращение. Ядро примерно в 10 тысяч раз меньше размера атома, хотя это и есть почти вся его масса, и состоит из протонов и нейтронов.

Как правило, на этом большинство школьных курсов физики заканчиваются, но на этом не заканчивается физика. В 50-х годах прошлого века ученые знали о существовании пяти частиц, которые они называли элементарными.

Это были протон, нейтрон, электрон, фотон и электронное нейтрино.

Уже через несколько десятков лет (с появлением первых коллайдеров) частиц, которые стоило бы причислить к элементарным, стало несколько десятков, и это число только росло.

Термин «элементарная частица» пришлось пересматривать — и заодно придумывать новую теорию, еще сильнее углубляться в строение вещества. Со временем была создана теория, названная Стандартной моделью, описывающая все известные взаимодействия (кроме гравитации).

Еще с древних времен материя и силы (взаимодействия) в физике были отделены. Эта идея присутствует и в Стандартной модели. Все элементарные частицы в ней делятся на «кирпичики материи» — фермионы и переносчики взаимодействия — бозоны.

Эти классы частиц сильно отличаются друг от друга, одним из самых ярких отличий является отсутствие принципа запрета Паули у бозонов. Грубо говоря, в одной точке пространства может быть не более одного фермиона, но сколько угодно бозонов.

В Стандартной модели всего шесть элементарных бозонов. Фотон не обладает электрическим зарядом, он передает электромагнитное взаимодействие — то самое, которое связывает атомы в молекулы. Глюон передает сильное взаимодействие и обладает своим видом заряда (об этом еще будет сказано).

Именно сильное взаимодействие отвечает за ядерные силы, скрепляющие протоны и нейтроны в ядрах. W+, W- и Z0 означает, что бозоны заряжены соответственно положительно, отрицательно и нейтрально (не заряжены). Они отвечают за так называемое слабое взаимодействие, которое умеет превращать одни частицы в другие.

Самый простой пример слабого взаимодействия — распад нейтрона: один из кварков, составляющих нейтрон, излучает W-бозон и превращается в другой кварк, а W-бозон распадается на электрон и нейтрино.

Бозоны и фермионы - в помощь студенту

Остается последний бозон — бозон Хиггса. Теоретически он был предсказан еще в 60-х годах прошлого века, но экспериментально его существование было доказано только в 2013 году. Он отвечает за инертную массу элементарных частиц — именно массу, ответственную за эффекты инерции, а не притяжения. Квантовой теории, которая связала бы и инерцию, и гравитацию, пока что нет.

Элементарных фермионов гораздо больше, чем элементарных бозонов. Их делят на два класса: лептоны и кварки. Они отличаются тем, что кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны — нет.

Лептоны бывают трех поколений, в каждом поколении два лептона — один заряженный и один нейтральный. Первое поколение: электрон и электронное нейтрино, второе — мюон и мюонное нейтрино, третье — тау-лептон и тау-нейтрино. Лептоны очень похожи друг на друга, мюоны и тау-лептоны(так же как и электроны) могут образовывать атомы, заменяя на орбиталях электроны.

Главное их отличие — в массе: мюон в 207 раз тяжелее электрона, а тау-лептон в 17 раз тяжелее мюона. С нейтрино должна быть похожая история, но их массы настолько малы, что до сих пор не измерены.

Эти массы точно ненулевые, доказательство этого факта было отмечено Нобелевской премией в 2015 году.

Мюон и тау-лептон нестабильны: время жизни мюона примерно 0,2 миллисекунды (что на самом деле довольно долго), тау-лептон распадается примерно в 17 раз быстрее.

Особенности нейтрино состоят в том, что они участвуют только в слабом взаимодействии, из-за этого их очень трудно засечь. Также они могут произвольно менять свой сорт: к примеру, электронное нейтрино может внезапно превратиться в мюонное, или наоборот. В отличие от бозонов, у лептонов существуют античастицы. Таким образом, всего лептонов не 6, а 12.

В английском слово funny может иметь значения «забавный» и «странный». Вот кварки как раз и есть funny. Они забавно называются: верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный.

И они очень странно себя ведут. Существует три поколения кварков, по два кварка в каждом, и точно так же у них у всех существуют античастицы.

Кварки участвуют как в электромагнитном и слабом взаимодействиях, так и в сильном.

Для заметки: фермионы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами; таким образом, адроны — это частицы, состоящие из кварков.

Поэтому Большой адронный коллайдер, собственно, называется адронным: там сталкивают протоны или ядра атомов (адроны), но не электроны. Кварки любят образовываться в частицы из трех и двух кварков, но никогда не появляются по одному.

В этом и заключается их странность. Частицы из трех кварков называют барионами, а из двух — мезонами.

Бозоны и фермионы - в помощь студенту

Почему они так делают? Это происходит из-за особенностей сильного взаимодействия, которое удерживает кварки в адронах.

Сильное взаимодействие очень интересно: вместо одного заряда, как в электромагнитном, у сильного их бывает три.

И оказывается, что существуют только нейтральные частицы, а нейтральной частица может быть, только если в ней есть либо три разных заряда одного знака, либо два одинаковых заряда разного знака.

Из-за этой особенности (и для удобства) заряды начали называть красным, зеленым и синим, а соответствующие отрицательные заряды — антикрасным, антизеленым и антисиним.

Получается, что если взять красный, зеленый и синий, мы получим белый, то есть нейтральный; если взять красный и антикрасный, мы тоже получим белый.

Это легко запоминается, но стоит подчеркнуть, что это не имеет никакого отношения к цветам, к которым мы привыкли в жизни.

Это просто красивая и удобная аналогия со смешиванием. В Стандартной модели каждый кварк может быть любого из трех цветов, а антикварк — любого из трех «антицветов».

Получается, что ни один из кварков не может быть непосредственно зарегистрирован, ведь свободно существовать могут только бесцветные частицы, а кварки «раскрашены».

Эта особенность их поведения называется конфайнментом, что с английского дословно переводится как «заточение».

Хорошо — допустим, что кварки не могут существовать свободно.

Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? (На самом деле нет.) Представьте, что мезон очень сильно растягивают.

В отличие от электромагнитного, сильное взаимодействие тем сильнее до определенного предела, чем взаимодействующие частицы дальше друг от друга.

Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет сжиматься и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается.

Читайте также:  Правоотношения родителей и детей - в помощь студенту

Но в какой-то момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. Много глюонов исчезает, вместо них появляются кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен.

Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль.

Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны.

Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE.

Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой.

Для понимания, что есть кварк-глюонная плазма, стоит провести аналогию. Представьте себе воду в невесомости.

Она находится в жидком агрегатном состоянии, и из-за сил поверхностного натяжения она имеет вид шара — можно сказать, что она заточена в этот шар. Начнем повышать температуру.

Когда она достигнет 100 градусов, вода начнет кипеть, активно испаряться и со временем полностью станет паром, у которого уже не будет силы поверхностного натяжения.

Явление превращения воды в пар называется фазовым переходом. Если продолжить нагревать пар, то примерно при 1 400 градусах молекулы воды разделятся на водород и кислород — сдиссоциируют, — и вода станет смесью кислородной и водородной плазм. Это еще один фазовый переход. Теперь возьмем газ — но не из молекул воды, а из адронов — и начнем его нагревать.

Придется нагревать весьма сильно, потому что для фазового перехода нужна температура примерно в два триллиона градусов. При такой температуре адроны как бы «диссоциируют» в свободные кварки и глюоны. Таким образом, адрон совершит фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы. Это явление называется деконфайнментом, то есть процессом освобождения кварков из адронов.

Последнего экспериментального подтверждения Стандартная модель ждала около 50 лет, но теперь бозон Хиггса найден — что дальше? Можно ли думать, что великие открытия закончились? Конечно, нет.

Стандартная модель изначально не претендовала на звание теории всего (ведь она не включает в себя описание гравитации).

Более того, в декабре прошлого года ATLAS и CMS в коллаборации опубликовали статьи о возможном обнаружении новой тяжелой частицы, не вписывающейся в Стандартную модель.

Источник: https://econet.ru/articles/128611-prosto-o-slozhnom-bozony-fermiony-kvarki-i-drugie-elementarnye-sostavlyayuschie-vselennoy

Разница между бозонами и фермионами

Основное различие между бозонами и фермионами является то, что бозоны имеют целый спин, тогда как фермионы имеют полуцелый спин.

Все частицы, которые мы видим в природе, подразделяются на два типа основанные на спине частиц: бозоны и фермионы. Это разделение называется «спиновой классификацией». Все частицы имеют спин или «собственный момент импульса».

Содержание

  1. Обзор и основные отличия
  2. Что такое бозоны
  3. Что такое фермионы
  4. В чем разница между бозонами и фермионами
  5. Заключение

Что такое бозоны?

Бозоны — это тип частиц с целочисленным спином. Следовательно, эти частицы не ограничены принципом исключения Паули. Распределение энергии этих частиц можно описать, используя статистику Бозе-Эйнштейна.

Бозоны и фермионы - в помощь студентуСимметричное волновое состояние бозонов

Некоторые примеры бозонов включают фундаментальные частицы, такие как фотоны, глюоны и т.д. Бозонами являются как элементарные частицы, так и составные частицы, то есть мезоны.

Одной из важных характеристик этих частиц является то, что они не ограничивают количество частиц, которые занимают одно и то же квантовое состояние. По этой причине бозоны называются «носителями силы». Более того, они действуют как клей, который удерживает вещество вместе.

Волновая функция, которая описывает набор бозонов, должна быть симметричной относительно обмена одинаковыми частицами.

Что такое фермионы?

Фермионы — это тип частиц с полуцелым спином. Следовательно, они ограничены принципом исключения Паули. В отличие от бозонов, два фермиона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние.

 Если несколько фермионов имеют одинаковое пространственное распределение вероятностей, то, по крайней мере, вращение каждого фермиона отличается друг от друга.

 Кроме того, фермионы — это частицы, из которых состоит вещество.

Бозоны и фермионы - в помощь студентуАсимметричное волновое состояние фермионов

Примеры фермионов включают электроны, протоны и нейтроны. Кроме того, волновая функция, описывающая совокупность фермионов, должна быть антисимметричной по отношению к обмену одинаковыми частицами.

В чем разница между бозонами и фермионами?

Бозоны и фермионы — это две группы частиц из которых состоит всё в природе. Основное различие между бозонами и фермионами является то, что бозоны имеют целый спин, тогда как фермионы имеют полуцелый спин. Кроме того, волновая функция бозонов симметрична, а волновая функция фермионов антисимметрична.

Более того, бозонные частицы не ограничены принципом исключения Паули, а фермионы ограничены.

Кроме того,  две бозонные частицы могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние, а фермионы не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние.

 Некоторые примеры бозонов это фотоны, глюоны, атомы гелия и т.д., в то время как примеры фермионов это электроны, протоны, кварки, нейтроны и т.д.

Все частицы, которые мы знаем, могут быть разделены на две группы основанные на спине частиц: бозоны и фермионы. Ключевое различие между бозонами и фермионами состоит в том, что бозоны имеют целочисленный спин, тогда как фермионы имеют полуцелый спин.

  Разница между Физическим и Химическим равновесием

Источник: https://raznisa.ru/raznica-mezhdu-bozonami-i-fermionami/

Элементарные частицы. Стандартная модель. Фермионы и бозоны

Владимир Каланов.

Элементарными частицами принято называть мельчайшие известные нам частицы материи. Термин
«элементарные» в данном случае должен был бы означать «простейшие, далее не делимые». Частицы же, именуемые элементарными, не вполне соответствуют такому
определению, и поэтому термин «элементарные» для них в известной мере условен.

Бозоны и фермионы - в помощь студенту

Сравнение размеров атома и его составных частей

Не существует также чёткого критерия, на основании которого известные нам частицы материи следовало бы относить к категории элементарных.
Как правило, к ним относятся все мельчайшие частицы материи, за исключением атомных ядер с атомным номером до единицы включительно, то есть так называемые субъядерные микрообъекты.

В начале 30-х годов XX века, когда были известны только электрон, протон и γ-квант, имелись основания называть эти
частицы элементарными, ведь тогда казалось, что из них и состоит вся наблюдаемая материя: ядра и атомы веществ, электромагнитное поле.

Открытия мюона (1936 г.), π-мезона (1947 г.), странных
частиц (50-е годы XX в.), так называемых резонансов (т.е. нестабильных частиц) (60-е годы XX в.)
существенно усложнило картину. Динамика открытий новых частиц впечатляет. Так, в 1972 году общее число известных стабильных и квазистабильных (т.е.

достаточно
долго живущих) элементарных частиц, включая античастицы, составляло 55, в 1980 — уже 200, в 1983 — около 300, в 1986 году это число приближалось к 400, в настоящее
время перечень элементарных частиц и их свойств The Book of the Review of Particle Physics (Обзор состояния физики
элементарных частиц), регулярно публикуемый международной организацией
Particle Data Group, представляет собой собрание нескольких десятков документов общим объемом более 550 страниц! Несмотря на обилие теорий, порой
альтернативных и противоречащих друг другу, в настоящее время сложилась общепринятая теория наиболее общих типов элементарных частиц и их
взаимодействий, которая называется стандартной моделью. Стандартная модель с большой точностью подтверждается многочисленными экспериментами, а все предсказанные ею
элементарные частицы уже найдены. Однако она не является универсальной Теорией Всего Сущего, поскольку не объясняет все фундаментальные явления и типы взаимодействий, например гравитация не учитывается стандартной моделью.

Большинство элементарных частиц нестабильно. Так, время жизни
заряженных π-мезонов (читается: Пи-мезо́н) составляет 2,56·10-8 сек, нейтральных π-мезонов — 1,8·10-6 сек,
они постепенно превращаются в более лёгкие элементарные частицы. Таким образом, требование неразложимости элементарных частиц нарушается.

В то же время, неверно
было бы считать, что они состоят из продуктов своего же распада, кроме того, одна и та же элементарная частица может распадаться на различные элементарные частицы. Термин «элементарная частица» применительно к известным частицам
материи потерял свой простой наглядный смысл.

Этот термин в определённом смысле повторил историю сло́ва «атом», которое в переводе с греческого означает «неделимый».

Согласно теории стандартной модели существует два основных вида элементарных частиц: фермионы и бозо́ны. Фермионы являются элементарными «кирпичиками» окружающего нас
вещества, а бозо́ны — переносчиками взаимодействия между «кирпичиками» — фермионами.

Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит путём обмена квантами электромагнитного поля — фотонами. Фотон электрически нейтрален. Сильное взаимодействие
осуществляется за счёт обмена глюо́нами (g) — электрически нейтральными безмассовыми переносчиками сильного взаимодействия.

Глюо́ны переносят цветовой заряд. В слабом взаимодействии принимают участие все
лептоны и все кварки. Переносчиками слабого взаимодействия являются массивные
W- и Z — бозо́ны. Существуют положительные W+ — бозо́ны и отрицательные W- — бозо́ны, являющиеся античастицами по отношению друг к другу.

Z — бозо́н электрически нейтрален.

Сравнение основных параметров фермионов и бозо́нов
Фермионы Бозоны
Роль Кирпичики вещества (лептоны и кварки), а также барионы. Переносчики взаимодействий (частицы поля, иначе — частицы излучения) (фотон, W—бозоны, Z— бозон, гравитон — ещё не открыт), а также мезоны.
Спин Нецелый (1/2, 3/2, 5/2..) Целый (0, 1,2…)

Фермионы делятся на кварки и лептоны, которые взаимодействуют друг с другом с помощью двух типов взаимодействия: сильного и электрослабого. В слабом взаимодействии
принимают участие все лептоны и все кварки.

кварки участвуют также в сильном взаимодействии за счёт обмена одним из типов бозонов, которые
называются глюо́нами, глюоны электрически нейтральны и безмассовы, переносят цветовой заряд (см.

далее главу кварки);
лептоны участвуют в электрослабом взаимодействии за счёт обмена другими типами бозо́нов: W+— бозо́на, W-— бозо́на и Z— бозо́на.

Следует отметить, что фермионом или бозо́ном может
быть не только элементарная частица, но и ядро атома, в зависимости от нечётности или чётности общего числа его протонов и нейтронов соответственно. Совсем недавно физики открыли странное поведение некоторых атомов в необычных условиях, например, сверхохлаждённого гелия.

Свойства фермионов (массы указаны в условных единицах относительно массы электрона) — см.*)
Лептоны Кварки
Аромат Масса Заряд Аромат Масса Заряд
ve (0+254)х10-9 u 4 2/3
e- 1 -1 d 10 -1/3
(18+254)х10-9 c 2544 2/3
µ 207 -1 s 196 -1/3
(78-274)х10-9 t 338561 2/3
τ 3478 -1 b 8219 -1/3

*) Поскольку массы элементарных частиц чрезвычайно малы (масса электрона me=9,1·10-28
г), пользуются системой единиц, в которой масса и энергия имеют одинаковую размерность и выражаются в электронвольтах (эВ) и производных единицах
(Мэв, ГэВ и т.д.). Массы известных элементарных частиц изменяются от нуля (фотон) до 176 ГэВ (t — кварк); для
сравнения: масса электрона me =0,511 Мэв, а масса протона mp =938,2 Мэв.

Источник: http://znaniya-sila.narod.ru/phisics/phisics_atom_02.htm

Элементарные частицы. Бозоны и фермионы. Кварки и лептоны

Физика до недавнего времени изучала материю в двух ее проявлениях — веществе и поле.  Частицы вещества и кванты полей подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Частицы вещества являются фермионами. Все фермионы имеют полуцелое значение квантовой характеристики элементарной частицы называемой спином.

    Все кванты полей являются бозонами — частицами с целочисленным значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Бозе — и ферми-частицы рассматриваются как частицы, имеющие различную природу.

    В свою очередь частицы вещества делятся на две группы: кварки и лептоны. Кварки и лептоны входят в состав других физических объектов и считаются  «бесструктурными».

Кварки — это частицы, которые, кроме электрического заряда, обладают цветным зарядом. Наличие у кварков цветного заряда обуславливает способность их к сильным взаимодействиям.

Лептоны — бесцветны и не участвуют в сильных взаимодействиях.

    Предполагается существование шести видов (ароматов) кварков и шести лептонов.  Кварки никогда не встречаются в свободном состоянии, они находятся заключенные внутри других частиц, например, внутри протонов или нейтронов.  Кварк может существовать лишь в качестве элемента целого.

      Квантом гравитационного поля является гравитон. Однако гравитон пока не установлен экспериментально, равно как и не построена по сей день теория квантовой гравитации. Квантом электромагнитного поля является фотон. Масса покоя фотона равна 0. Фотон не несет на себе электрического заряда.

Это обеспечивает линейный характер электромагнитных взаимодействий и большой радиус их действия. Квантами слабого взаимодействия являются три бозона — W+, W‾, Z°- бозоны. Верхние индексы указывают знак электрического заряда этих квантов.

Кванты слабого взаимодействия имеют значительную массу, что приводит к тому, что слабое взаимодействие проявляется на очень коротких расстояниях. Квантами сильного взаимодействия являются восемь глюонов. Массы покоя глюонов равны нулю.

Однако глюоны обладают цветным зарядом, благодаря чему они способны к взаимодействию друг с другом, что приводит к трудностям описания сильного взаимодействия математически ввиду его нелинейности. Сильное взаимодействие, осуществляемое посредством обмена глюонами между кварками, приводит к изменению цветов кварков.

Так что в ядре постоянно происходят превращения протонов в нейтроны и наоборот за счет обмена квантами слабого взаимодействия между кварками. Кроме этого, внутри протонов и нейтронов кварки постоянно меняют свои цвета, испуская и поглощая глюоны. При этом протоны и нейтроны остаются бесцветными.

Третьим качественно отличным от вышеназванных двух форм материи является физический вакуум. Все кванты полей, являются векторными калибровочными бозонами. Калибровочными их называют потому, что они являются квантами калибровочных полей.

Векторными их называют потому, что все они имеют целочисленное значение спина, равного 1, за исключением гравитона, спин которого предполагается равным 2.

Физический вакуум нашей Вселенной рассматривается как коллективные возбуждения хиггсовых скалярных бозонов, спин которых равен 0.

Источник: https://students-library.com/library/read/51621-elementarnye-casticy-bozony-i-fermiony-kvarki-i-leptony

Ссылка на основную публикацию