Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц — в помощь студенту

Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц - в помощь студенту «Мы задаёмся вопросом, почему группа талантливых и преданных своему делу людей готова посвятит жизнь погоне за такими малюсенькими объектами, которые даже невозможно увидеть? На самом деле, в занятиях физиков элементарных частиц проявляется человеческое любопытство и желание узнать, как устроен мир, в котором мы живём» Шон Кэрролл Если вы всё ещё боитесь фразы квантовая механика и до сих пор не знаете, что такое стандартная модель — добро пожаловать под кат. В своей публикации я попытаюсь максимально просто и наглядно объяснить азы квантового мира, а так же физики элементарных частиц. Мы попробуем разобраться, в чём основные отличия фермионов и бозонов, почему кварки имеют такие странные названия, и наконец, почему все так хотели найти Бозон Хиггса.

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!

Оценим за полчаса!

Из чего мы состоим?

Ну что же, наше путешествие в микромир мы начнём с незатейливого вопроса: из чего состоят окружающие нас предметы? Наш мир, как дом, состоит из множества небольших кирпичиков, которые особым образом соединяясь, создают что-то новое, не только по внешнему виду, но ещё и по своим свойствам.

На деле, если сильно к ним приглядеться, то можно обнаружить, что различных видов блоков не так уж и много, просто каждый раз они соединяются друг с другом по-разному, образуя новые формы и явления. Каждый блок — это неделимая элементарная частица, о которой и пойдёт речь в моём рассказе.

Для примера, возьмём какое-нибудь вещество, пусть у нас это будет второй элемент периодической системы Менделеева, инертный газ, гелий. Как и остальные вещества во Вселенной, гелий состоит из молекул, которые в свою очередь образованы связями между атомами.

Но в данном случае, для нас, гелий немного особенный, потому что он состоит всего из одного атома.

Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц - в помощь студенту

Из чего состоит атом?

Атом гелия, в свою очередь, состоит из двух нейтронов и двух протонов, составляющих атомное ядро, вокруг которого вращаются два электрона. Самое интересное, что абсолютно неделимым здесь является лишь электрон.

Интересный момент квантового мира

alt

Узнай стоимость своей работы

Бесплатная оценка заказа!
Читайте также:  Общая характеристика семейного права - в помощь студенту

Оценим за полчаса!

Чем меньше масса элементарной частицы, тем больше места она занимает. Именно по этой причине электроны, которые в 2000 раз легче протона, занимают гораздо больше места по сравнению с ядром атома.

Нейтроны и протоны относятся к группе так называемых адронов (частиц, подверженных сильному взаимодействию), а если быть ещё точнее, барионов.

Адроны можно разделить на группы

  • Барионов, которые состоят из трёх кварков
  • Мезонов, которые состоят из пары: частица-античастица

Нейтрон, как ясно из его названия, является нейтрально заряженным, и может быть поделён на два нижних кварка и один верхний кварк. Протон, положительно заряженная частица, делится на один нижний кварк и два верхних кварка. Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц - в помощь студенту Да, да, я не шучу, они действительно называются верхний и нижний. Казалось бы, если мы открыли верхний и нижний кварк, да ещё электрон, то сможем с их помощью описать всю Вселенную. Но это утверждение было бы очень далеко от истины. Главная проблема — частицы должны как-то между собой взаимодействовать. Если бы мир состоял лишь из этой троицы (нейтрон, протон и электрон), то частицы бы просто летали по бескрайним просторам космоса и никогда бы не собирались в более крупные образования, вроде адронов.

Фермионы и Бозоны

Достаточно давно учёными была придумана удобная и лаконичная форма представления элементарных частиц, названная стандартной моделью. Оказывается, все элементарные частицы делятся на фермионы, из которых и состоит вся материя, и бозоны, которые переносят различные виды взаимодействий между фермионами.

Разница между этими группами очень наглядна. Дело в том, что фермионам для выживания по законам квантового мира необходимо некоторое пространство, а для бозонов почти не важно наличие свободного места. Группа фермионов, как было уже сказано, создаёт видимую материю вокруг нас. Что бы мы и где ни увидели, создано фермионами. Фермионы делятся на кварки, сильно взаимодействующие между собой и запертые внутри более сложных частиц вроде адронов, и лептоны, которые свободно существуют в пространстве независимо от своих собратьев.

Кварки делятся на две группы.

  • Верхнего типа. К кваркам верхнего типа, с зарядом +23, относят: верхний, очарованный и истинный кварки
  • Нижнего типа. К кваркам нижнего типа, с зарядом -13, относят: нижний, странный и прелестный кварки

Истинный и прелестный являются самыми большими кварками, а верхний и нижний — самыми маленькими. Почему кваркам дали такие необычные названия, а говоря более правильно, «ароматы», до сих пор для учёных предмет споров.

Лептоны также делятся на две группы.

  • Первая группа, с зарядом «-1», к ней относят: электрон, мюон (более тяжёлую частицу) и тау-частицу (самую массивную)
  • Вторая группа, с нейтральным зарядом, содержит: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино

Нейтрино — есть малая частица вещества, засечь которую практически невозможно. Её заряд всегда равен 0. Возникает вопрос, не найдут ли физики ещё несколько поколений частиц, которые будут еще более массивными, по сравнению с предыдущими. На него ответить трудно, однако теоретики считают, что поколения лептонов и кварков исчерпываются тремя.

Не находите никакого сходства? И кварки, и лептоны делятся на две группы, которые отличаются друг от друга зарядом на единицу? Но об этом позже…

Без них бы фермионы сплошным потоком летали по вселенной. Но обмениваясь бозонами, фермионы сообщают друг другу какой-либо вид взаимодействия. Сами бозоны же с друг другом практически не взаимодействуют.

На самом деле, некоторые бозоны всё же взаимодействуют друг с другом, но об этом будет рассказано более подробно в следующих статьях о проблемах микромира

Взаимодействие, передаваемое бозонами, бывает:

  • Электромагнитным, частицы — фотоны. С помощью этих безмассовых частиц передаётся свет.
  • Сильным ядерным, частицы — глюоны. С их помощью кварки из ядра атома не распадаются на отдельные частицы.
  • Слабым ядерным, частицы — ±W и Z бозоны. С их помощью фермионы перекидываются массой, энергией, и могут превращаться друг в друга.
  • Гравитационным, частицы — гравитоны. Чрезвычайно слабая в масштабах микромира сила. Становится видимой только на сверхмассивных телах.

Оговорка о гравитационном взаимодействии. Существование гравитонов экспериментально ещё не подтверждено. Они существуют лишь в виде теоретической версии. В стандартной модели в большинстве случаев их не рассматривают. Вот и всё, стандартная модель собрана. Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц - в помощь студенту

Проблемы только начались

Несмотря на очень красивое представление частиц на схеме, осталось два вопроса. Откуда частицы берут свою массу и что такое Бозон Хиггса, который выделяется из остальных бозонов.

Для того, что бы понимать идею применения бозона Хиггса, нам необходимо обратиться к квантовой теории поля. Говоря простым языком, можно утверждать, что весь мир, вся Вселенная, состоит не из мельчайших частиц, а из множества различных полей: глюонного, кваркового, электронного, электромагнитного и.т.д. Во всех этих полях постоянно возникают незначительные колебания. Но наиболее сильные из них мы воспринимаем как элементарные частицы. Да и этот тезис весьма спорный. С точки зрения корпускулярно-волнового дуализма, один и тот же объект микромира в различных ситуациях ведёт себя то как волна, то как элементарная частица, это зависит лишь от того, как физику, наблюдающему за процессом, удобнее смоделировать ситуацию.

Поле Хиггса

Оказывается, существует так называемое поле Хиггса, среднее значение которого не хочет стремиться к нулю. В результате чего, это поле старается принять некоторое постоянное ненулевое значение во всей Вселенной.

Поле составляет вездесущий и постоянный фон, в результате сильных колебаний которого и появляется Бозон Хиггса. И именно благодаря полю Хиггса, частицы наделяются массой.

Масса элементарной частицы, зависит от того, насколько сильно она взаимодействует с полем Хиггса, постоянно пролетая внутри него.

И именно из-за Бозона Хиггса, а точнее из-за его поля, стандартная модель имеет так много похожих групп частиц. Поле Хиггса вынудило сделать множество добавочных частиц, таких, например, как нейтрино.

Итоги

То, что было рассказано мною, это самые поверхностные понятия о природе стандартной модели и о том, зачем нам нужен Бозон Хиггса. Некоторые учёные до сих пор в глубине души надеются, что частица, найденная в 2012 году и похожая на Бозон Хиггса в БАКе, была просто статистической погрешностью.

Ведь поле Хиггса нарушает многие красивые симметрии природы, делая расчёты физиков более запутанными.

Некоторые даже считают, что стандартная модель доживает свои последние годы из-за своего несовершенства.

Но экспериментально это не доказано, и стандартная модель элементарных частиц остаётся действующим образцом гения человеческой мысли.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

  • 93,0%Да, такие статьи нужны.795
  • 6,4%Нет, хоть такие статьи и нужны, ты объясняешь материал неправильно.55
  • 0,6%Нет, такие статьи не нужны.5

Источник: https://habr.com/post/382753/

Фундаментальные взаимодействия — лекции на ПостНауке

ВИДЕО Какие силы природы называют фундаментальными? На каком принципе строятся фундаментальные взаимодействия? Возможно ли существование нового фундаментального взаимодействия? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.

Со школьной физики мы сталкиваемся с понятием «сила». Силы бывают разные: есть сила притяжения, сила трения, сила качения, сила упругости. Существует множество разных сил. Не все из этих сил являются фундаментальными — очень часто сила является вторичным явлением. Например, сила трения является вторичным явлением — на самом деле это взаимодействие молекул. И даже взаимодействие молекул может быть вторичным. Например, в молекулярной физике есть силы Ван-дер-Ваальса. Эти силы являются вторичным следствием электромагнитных взаимодействий.

Хочется докопаться до самой фундаментальной силы: что же является фундаментальными силами в природе, которые определяют все, из которых строятся все вторичные силы? Электромагнитные силы, или электрические силы, являются фундаментальными взаимодействиями, как мы их понимаем сейчас.

Закон Кулона, известный еще со школьной физики, — это фундаментальный закон, но он имеет свое обобщение, он вытекает из уравнений Максвелла.

Уравнения Максвелла описывают вообще все электрические и магнитные силы в природе, поэтому электромагнитные взаимодействия являются фундаментальными силами природы.

Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц - в помощь студентуФизика элементарных частиц

Другой пример фундаментальных сил природы — это тяготение. Со школы известен закон всемирного тяготения Ньютона, который теперь уже получил обобщение в уравнениях Эйнштейна — сейчас у нас есть теория тяготения Эйнштейна. Сила тяготения — это тоже фундаментальные взаимодействия в природе. И когда-то казалось, что существуют только эти две фундаментальные силы.

Но впоследствии поняли, что это не так. В частности, когда было открыто атомное ядро и возникла проблема понять, почему же частицы удерживаются внутри ядра и не разлетаются, было введено понятие ядерных сил. Эти ядерные силы были измерены, поняты, описаны.

Но впоследствии оказалось, что они тоже нефундаментальны — ядерные силы в некотором смысле напоминают силы Ван-дер-Ваальса.

Истинно фундаментальными силами, обеспечивающими сильное взаимодействие, являются силы между кварками. Кварки взаимодействуют друг с другом, и как вторичный эффект друг с другом взаимодействуют протоны и нейтроны в ядре. Фундаментальным взаимодействием является взаимодействие кварков с помощью обмена глюонами — это третья фундаментальная сила в природе.

Но и тут история не заканчивается. Оказывается, что распады элементарных частиц — а все тяжелые частицы распадаются на более легкие — описываются новым взаимодействием, которое получило название слабого взаимодействия. Слабого — потому что сила этого взаимодействия заметно слабее, чем электромагнитные силы.

Но оказалось, что теория слабого взаимодействия, которая первоначально существовала и очень хорошо описывала все распады, плохо работала при повышении энергии, и она была заменена на новую теорию слабого взаимодействия, которая оказалась совершенно универсальной и построенной на том же принципе, на каком построены все остальные взаимодействия.

  • В современном мире есть четыре фундаментальных взаимодействия, про пятое я еще тоже скажу.
  • Четыре фундаментальных взаимодействия — электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное — строятся на одном принципе.
  • Этот принцип состоит в том, что сила между частицами возникает за счет обмена некоторым посредником, переносчиком взаимодействия.

Электромагнитное взаимодействие строится на основе обмена квантом света или квантом электромагнитных волн — это фотон. Фотон — это безмассовая частица, ею обмениваются заряженные частицы, и за счет этого обмена возникают взаимодействия между частицами, сила между частицами, закон Кулона тоже так описывается.

Другое взаимодействие — сильное. Там тоже есть посредник, частица, которой обмениваются кварки. Эти частицы называются глюонами, их восемь штук, это тоже безмассовые частицы.

Третья частица, третье взаимодействие — это слабое взаимодействие, и здесь тоже посредником выступают частицы, которые называются промежуточными векторными бозонами. Эти частицы, — их штуки, — массивны, то есть довольно тяжелые. Этой массой, тяжестью этих частиц и объясняется, почему слабое взаимодействие такое слабое.

Четвертое взаимодействие — гравитационное, и оно осуществляется путем обмена квантом гравитационного поля, его называют гравитон. Гравитон пока экспериментально не обнаружен, квантовую гравитацию мы пока не вполне ощущаем и не вполне умеем описывать.

Все взаимодействия — это акт обмена некоторыми частицами. Здесь мы возвращаемся к понятию симметрии. Всякое взаимодействие связано с симметрией. Симметрия говорит о том, сколько таких частиц и какова у них масса.

Если симметрия точная — масса нулевая. У фотона масса 0, у глюона масса 0. Если симметрия нарушена — масса ненулевая. У промежуточных векторных бозонов масса ненулевая, там симметрия нарушена.

Гравитационная симметрия не нарушена — у гравитона тоже масса 0.

Эти четыре фундаментальных взаимодействия объясняют все, что мы видим. Все остальные силы — это вторичный эффект этих взаимодействий. Но в 2012 году была обнаружена новая частица, которая стала очень знаменитой, — это так называемый хиггсовский бозон.

Хиггсовский бозон тоже является переносчиком взаимодействия между кварками и между лептонами. Поэтому сейчас уместно говорить о том, что появилась пятая сила, переносчиком которой является хиггсовский бозон. Здесь тоже симметрия нарушена — хиггсовский бозон является массивной частицей.

Читайте также:  Вода в природе - в помощь студенту

Тем самым число фундаментальных взаимодействий — в физике частиц обычно употребляется слово не «сила», а «взаимодействие» — достигло пяти.

Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц - в помощь студентуСуперсимметрия и супергравитация

Есть ли новые взаимодействия? На самом деле мы этого не знаем. В Стандартной модели физики элементарных частиц других взаимодействий нет, есть только пять.

Но не исключено, что та модель, нами сейчас рассматриваемая и прекрасно описывающая все экспериментальные данные и все явления, которые мы наблюдаем в мире, возможно, все-таки неполна, и тогда, возможно, появятся какие-то новые силы и новые взаимодействия.

Например, если существуют так называемые суперсимметричные частицы, то есть если существует новая симметрия в природе, то эта новая симметрия повлечет за собой появление новых частиц, которые являются посредниками между другими частицами, тем самым возникнет новая фундаментальная сила. Поэтому эта возможность до сих пор остается.

Интересно, что всякое новое взаимодействие всегда приводит к какому-то новому явлению. Скажем, если бы не было слабого взаимодействия, не было бы распада.

Не было бы распада — мы бы не наблюдали ядерные реакции. Не было бы ядерных реакций — не светило бы Солнце. Не светило бы Солнце — на Земле не могла бы существовать жизнь.

Так что наличие такого взаимодействия оказалось жизненно важным для нас.

Не будь сильного взаимодействия, не было бы стабильных атомных ядер. Не было бы ядер — не было бы атомов. Не было бы атомов — не было бы нас. То есть оказалось, что все силы вроде как необходимы. Вот электромагнитное взаимодействие: мы получаем энергию от Солнца — это лучи света, которые прилетают к нам от Солнца.

Не будь его, Земля была бы холодной. Получается, все те взаимодействия, которые мы знаем, для чего-нибудь нужны. Хиггсовское взаимодействие с хиггсовским бозоном обеспечивает массу частицы. Фундаментальные частицы получают массу за счет взаимодействия с полем Хиггса — без этого тоже жить нельзя.

Про гравитационное взаимодействие я не говорю — мы бы улетели с поверхности планеты.

Все взаимодействия, которые есть в природе, которые сейчас открыты, являются жизненно важными, для того чтобы все, что мы понимаем и знаем, существовало.

А что было бы, если бы было какое-нибудь новое взаимодействие, которое еще не открыто? Вот еще один пример: протон в ядре стабилен, и очень важно, что он стабилен, иначе опять же не было бы жизни. Но экспериментально время жизни протона сейчас ограничено — 1034 лет.

Это значит, что нет никакого запрета, чтобы протон распадался, но для этого нужна новая сила и новое взаимодействие. Есть теории, которые предсказывают распад протона, — в них есть более высокая группа симметрии, и в них есть новые взаимодействия, которые мы не знаем.

Так ли это — это вопрос к эксперименту.

Все фундаментальные взаимодействия сейчас строятся по единому принципу, и в этом смысле есть единство природы.

Иногда возникает вопрос: нельзя ли объяснить каким-либо образом, сколько взаимодействий есть в природе, то есть понять причину, почему их четыре или почему их пять, а может быть, еще есть больше? Существуют различные версии того, как можно было бы объяснить наличие определенного числа фундаментальных взаимодействий.

Такие теории часто называют теориями Великого объединения. Эти теории объединяют между собой различные виды взаимодействий в одно. Это напоминает растущее дерево: есть единый ствол, потом он ветвится, и получаются различные ветви.

Идея состоит примерно в этом же: есть единый корень всех взаимодействий, единый ствол, а потом в результате нарушения симметрии этот ствол начинает ветвиться, и образуется несколько фундаментальных взаимодействий, которые мы экспериментально наблюдаем.

Проверка этой гипотезы требует физики при очень высоких энергиях, которые недоступны современному эксперименту и, вероятно, никогда не будут доступны. Но зато можно обойти эту проблему. В конце концов, у нас есть естественный ускоритель — это Вселенная.

Некоторые процессы, идущие во Вселенной, позволяют нам проверить смелые гипотезы о том, что есть единый корень всех взаимодействий.

Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц - в помощь студенту

Другая очень интересная задача в понимании взаимодействий в природе — понять, как гравитация соотносится со всеми остальными взаимодействиями. Гравитация стоит несколько особняком, хотя принцип построения теории очень похож. В свое время Эйнштейн пытался построить единую теорию гравитации и электромагнетизма. Тогда это казалось весьма реальным, но теории так и не получилось.

Сейчас мы немного больше знаем. Мы знаем, что есть еще сильное взаимодействие, слабое взаимодействие, поэтому, если сейчас строить единую теорию, казалось бы, надо включить все эти взаимодействия вместе, но тем не менее такой единой теории до сих пор не создано, и до сих пор нам не удается объединить гравитацию с остальными взаимодействиями.

Все взаимодействия, кроме гравитации, подчиняются законам квантовой физики — это квантовая теория. Все частицы — это кванты определенного поля. Квантовой гравитации пока не существует, пока ее создать не удается. В чем причина, что мы делаем не так, чего мы не понимаем — все это пока остается загадкой.

Но количество фундаментальных взаимодействий, которое уже открыто, говорит о том, что, вероятно, какая-то единая схема существует.

Источник: https://postnauka.ru/video/47947

Урок 15. фундаментальные взаимодействия в микромире — Естествознание — 10 класс — Российская электронная школа

  • Естествознание, 10 класс
  • Урок 15. Фундаментальные взаимодействия в микромире
  • Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:
  • Какое фундаментальное взаимодействие называют сильным, и каковы его свойства.
  • Какое фундаментальное взаимодействие называют слабым и каковы его свойства
  • Какую роль играют фундаментальные взаимодействия в существовании жизни
  • Глоссарий по теме:

Сильное взаимодействие (ядерное взаимодействие) – самое сильное из фундаментальных взаимодействий, осуществляемое между элементарными частицами, называемыми адронами. В частности, связывает вместе протоны и нейтроны внутри ядра атома.

Слабое взаимодействие – один из четырёх типов известных фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами.

Оно гораздо слабее сильного и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного.

Наиболее распространённый процесс, обусловленный слабым взаимодействием — β-распад радиоактивных атомных ядер. Явление радиоактивности было обнаружено А. А. Беккерелем в 1896 году.

Нуклоны – общее название для протонов и нейтронов, частиц составляющих ядро атома

Протоны (от др. греческого πρῶτος — первый, основной) — стабильная положительно заряженная элементарная частица; величина заряда равна заряду электрона. Вместе с нейтронами образует ядра всех атомов.

Нейтроны (от лат. neuter – ни тот, ни другой) – нейтральная элементарная частая с массой, близкой массе протона. Вместе с протонами нейтроны образуют атомное ядро (за исключением ядра водорода). В свободном состоянии нейтрон нестабилен и распадается на протон и электрон.

Нейтрино – лёгкая (возможно, безмассовая) электрически нейтральная частица. Представление о нейтрино введено в 1930 швейцарским физиком В. Паули. Название предложил в 1932 Э. Ферми, как уменьшительное от нейтрон.

Лептоны – (греч. λεπτός лёгкий) класс фундаментальных частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. К ним относят, например, электрон, позитрон и др.

Адроны (от греч. hadros — тяжёлый; термин предложен советским физиком Л. Б. Окунем) — класс элементарных частиц, подверженных сильному взаимодействию и не являющихся истинно элементарными. К ним относятся, в том числе, протоны и нейтроны.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017: с 72 – 74.

Электронные ресурсы:

Энергия связи ядер — https://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter6/section/paragraph6/theory.html#.Wz1QovkzayI

Путешествие в Наномир – часть 1 https://www.youtube.com/watch?v=hLsxxbzafmw

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В природе известны четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Им соответствуют фундаментальные поля. Гравитационное взаимодействие практически не проявляется при движении объектов микромира.

Причина в том, что это взаимодействие намного слабее остальных. Однако в макромире и мегамире гравитационное взаимодействие играет существенную роль.

Например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля.

Электромагнитное взаимодействие зависит от расстояния, так же как и гравитационное.

Однако поскольку электрические заряды в макротелах скомпенсированы с очень большой точностью (макроскопические тела практически электронейтральны), то электромагнитное взаимодействие также не играет в макромире такой роли, как гравитационное.

При уменьшении расстояний между телами, начиная с расстояний порядка миллиметра, гравитационное взаимодействие сравнивается с электромагнитным, и далее, вплоть до расстояний 10-12 см, а природе господствует электромагнитное взаимодействие.

В отличие от гравитационного взаимодействия, которому подвластны все частицы, электромагнитное взаимодействие действует только между заряженными частицами. Электромагнитным взаимодействием обусловлены многие излучения (видимый свет, тепловое излучение и др.), целостность атомов, молекул и макротел. Именно оно ответственно за все химические реакции, а, следовательно, и биологические процессы.

В то же время слабое и сильное взаимодействие является короткодействующим (т. е., будучи значительным при расстояниях порядка размера ядра, быстро убывают при увеличении этого расстояния), и не проявляются на макроскопических расстояниях.

На расстояниях меньше 10-12 см в игру вступает сильное взаимодействие. Однако это взаимодействие действует избирательно, ему подвластны только частицы, называемые адронами.

К ним, в частности, относят составляющие атомных ядер протоны и нейтроны, для которых придумали общее название нуклоны. Стоит отметить, что помимо этих частиц к адронам относится также достаточно много короткоживущих частиц.

Частицы, над которыми сильное взаимодействие не действует, получили название – лептоны (к ним относится, например, электрон).

Именно сильное взаимодействие связывает нуклоны в атомном ядре. На расстояниях, сравнимых с размерами нуклонов (10-13 см.), оно примерно в 100 раз сильнее электромагнитного.

Это взаимодействие отвечает за все ядерные реакции. Энергия сильного взаимодействия превращается в электроэнергию на атомных электростанциях.

Энергия сильного взаимодействия выделяется на звездах и, в конечном счете, дает энергию для нашей жизни.

Некоторые реакции в мире микрочастиц не обусловлены ни электромагнитными, ни сильными взаимодействиями. Например, свободный нейтрон за время порядка 1000 с.

превращается в протон, электрон и нейтрино (по своим характеристикам похож на электрон, но не имеет заряда), реакция может пойти и в обратном направлении с образование нейтрона.

При этом частицы должны провзаимодействовать, но электрон не участвует в сильном взаимодействии, а нейтрино не участвует в электромагнитных. Из этого следует, что существует еще одно фундаментальное взаимодействие.

К тому же, длительность этих реакций (по сравнению со скоростью ядерных реакций, обусловленных сильным взаимодействием, происходящих за доли секунды) означает, что такое взаимодействие слабее сильного. Это взаимодействие назвали «слабым».

Заметим, что открытие частицы нейтрино, была предсказана гораздо раньше, чем ее экспериментально обнаружили.

Так расчеты показали, что при распаде нейтрона на протон и электрон не выполняется закон сохранения энергии, энергия после реакции оказывалась меньше энергии до реакции.

В 1931 году физик Вольфганг Паули предположил, что в процессе распада нейтрона возникает еще одна, не регистрируемая приборами частица, которая и уносит часть энергии. Эту частицу назвали нейтрино.

Слабое взаимодействие действует между всеми частицами, т.е. является универсальным (как и гравитационное). Оно самое короткодействующее, оно начинает работать при уменьшении расстояния между частицами до 10-16 см. Слабое взаимодействие играет важную роль в цепочке ядерных реакций, происходящих на звездах.

Заметим, что если в макроскопических масштабах мерой взаимодействия является сила, то в масштабах микромира механическое понятие силы является неприменимым. В общем случае взаимодействие объектов всегда приводит к изменению их энергии и импульса.

Выводы: Из четырёх фундаментальных взаимодействий на уровне микромира наиболее значительными являются сильное и слабое взаимодействия. Их действие ограничивается размерами ядра атома.

Сильное взаимодействие не универсально и действует только между адронами на расстоянии порядка 10-13 см. По интенсивности это самое сильное из фундаментальных взаимодействий. Посредством этого взаимодействия нуклоны объединяются в ядра.

Однако это еще не все. Не будь сильного взаимодействия, из всех ядер атомов остались бы только самые простейшие — ядра атома водорода, т. е. протоны.

Таким образом, оно обеспечивает существование многообразия структур мира природы, в том числе и жизни

Слабое взаимодействие проявляется в процессах β-распада и др. и является короткодействующим. Слабое взаимодействие является универсальным для всех микрочастиц.

Несмотря на малую интенсивность, это взаимодействие играет важную роль в природе.

Так, если бы удалось его «выключить», то прекратились бы реакции горения в звездах, которые служат источником энергии и появления тяжелых атомов, необходимых для жизни

  1. Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света.
  2. Без гравитационного взаимодействия не только не было бы галактик, звезд, планет, но и вся Вселенная не могла бы эволюционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.
  3. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий необходимо для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира и, в конечном счёте, определяют существование жизни.
  4. Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля.
  5. Задание 1.
  6. Какие типы фундаментальных взаимодействий проявляют свое действие только в пределах, соотносимых с размером ядра атома?
  1. Гравитационное;
  2. Сильное;
  3. Электромагнитное;
  4. Слабое.

Правильный ответ: 2,4.

Пояснение: Гравитационное и электромагнитные взаимодействия могут осуществляться на значительных расстояниях.

Задание 2. Соотнесите по парам тип взаимодействия и характеристику взаимодействующих частиц.

Фундаментальные взаимодействия и основные классы элементарных частиц - в помощь студенту

  • Правильный ответ:
  • Гравитационное взаимодействие – все частицы имеющие массу;
  • Электромагнитное взаимодействие – заряженные частицы;
  • Сильное взаимодействие – адроны;
  • Слабое взаимодействие – все микрочастицы.

Источник: https://resh.edu.ru/subject/lesson/4751/conspect/

Фундаментальные взаимодействия

< Предыдущая СОДЕРЖАНИЕ Следующая >

Перейти к загрузке файла

Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по характерным временам их протекания и энергиям. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти типы взаимодействий называют фундаментальными. Сильное (или ядерное) взаимодействие — это наиболее интенсивное из всех видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы — адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10-15 м. Поэтому его называют короткодействующим. Электромагнитное взаимодействие. В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны — кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира. Слабое взаимодействие — наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, в-распад нейтрона

а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (ф ? 10-10 с).

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами.

В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками И. Е. Таммом и Д. Д. Иваненко.

Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами — квантами электромагнитного поля.

Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х.

Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов.

Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название р-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: р+, р- и р0 (см. табл).

В 1957 году было теоретически предсказано существование тяжелых частиц, так называемых векторных бозонов W+, W— и Z0, обуславливающих обменный механизм слабого взаимодействия.

Эти частицы были обнаружены в 1983 году в экспериментах на ускорителе на встречных пучках протонов и антипротонов с высокой энергией. Открытие векторных бозонов явилось очень важным достижением физики элементарных частиц.

Читайте также:  Учет ндфл - в помощь студенту

Это открытие ознаменовало успех теории, объединившей электромагнитное и слабое взаимодействия в единое так называемое электрослабое взаимодействие.

Эта новая теория рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как разные компоненты одного поля, в котором наряду с квантом электромагнитного поля участвуют векторные бозоны.

После этого открытия в современной физике значительно возросла уверенность в том, что все виды взаимодействия тесно связаны между собой и, по существу, являются различными проявлениями некоторого единого поля. Однако объединение всех взаимодействий остается пока лишь привлекательной научной гипотезой.

Физики-теоретики прилагают значительные усилия в попытках рассмотреть на единой основе не только электромагнитное и слабое, но и сильное взаимодействие.

Эта теория получила название Великого объединения.

Ученые предполагают, что и у гравитационного взаимодействия должен быть свой переносчик — гипотетическая частица, названная гравитоном. Однако эта частица до сих пор не обнаружена.

В настоящее время считается доказанным, что единое поле, объединяющее все виды взаимодействия, может существовать только при чрезвычайно больших энергиях частиц, недостижимых на современных ускорителях.

Такими большими энергиями частицы могли обладать только на самых ранних этапах существования Вселенной, которая возникла в результате так называемого Большого взрыва (Big Bang). Космология — наука об эволюции Вселенной — предполагает, что Большой взрыв произошел 18 миллиардов лет тому назад.

В стандартной модели эволюции Вселенной предполагается, что в первый период после взрыва температура могла достигать 1032 К, а энергия частиц E = kT достигать значений 1019 ГэВ. В этот период материя существовала в форме кварков и нейтрино, при этом все виды взаимодействий были объединены в единое силовое поле.

Постепенно по мере расширения Вселенной энергия частиц уменьшалась, и из единого поля взаимодействий сначала выделилось гравитационное взаимодействие (при энергиях частиц ? 1019 ГэВ), а затем сильное взаимодействие отделилось от электрослабого (при энергиях порядка 1014 ГэВ). При энергиях порядка 103 ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными.

Одновременно с этими процессами шло формирование более сложных форм материи — нуклонов, легких ядер, ионов, атомов и т. д. Космология в своей модели пытается проследить эволюцию Вселенной на разных этапах ее развития от Большого взрыва до наших дней, опираясь на законы физики элементарных частиц, а также ядерной и атомной физики.

Источник: https://studwood.ru/1926140/matematika_himiya_fizika/fundamentalnye_vzaimodeystviya

Элементарные частицы

Элементарные частицы были впервые открыты и изучены в ходе исследования ядерных процессов. В связи с этим в течение долгого времени физика элементарных частиц являлась одним из разделов ядерной физики.

И только с середины 20-го века физика элементарных частиц выделилась в отдельное, самостоятельное направление. Оба эти раздела физики до сих пор объединяются общностью изучаемых явлений и применяемых методов исследования. Но есть у этих направлений и отличия.

Основной задачей физики элементарных частиц является исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Из истории вопроса

Первым из тех, кто задумался о существовании мельчайших частиц, из которых состоят все вещества и окружающие предметы, был древнегреческий философ Демокрит. Он был первым, кто высказал предположение о существовании фундаментальных частиц. Согласно письменным источникам, случилось это в 4 веке до нашей эры. Демокрит дал название атому и определил, что это неделимая частица материи.

В течение ряда веков понятие об атомах носило скорее философский, чем физический смысл. И только начиная с 19 века представление об атомах стали использовать сначала для объяснения химических, а затем и физических процессов.

В 30-е годы 19 столетия Макс Фарадей ввел в обиход понятие иона в рамках теории электролиза, а также выполнил изменение элементарного заряда.

К концу столетия Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, Джозеф Томсон установил существование электронов, Эрнест Резерфорд — α-частиц.

В первые пять лет 20 века Альберт Эйнштейн разработал учение о фотонах (квантах электромагнитного поля). Все эти открытия были бы невозможны без понятия об атомах.

В течение первой трети 20 века было установлено, что атом имеет сложное строение, которое предполагает наличие ядра и расположенных вокруг него электронов. Эрнест Резерфорд предложил орбитальную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам. Он же во время опытов по расщеплению ядер атомов установил существование протонов.

Открытие нейтронов принадлежит известному английскому физику Джеймсу Чедвику. Он установил, что ядра атомов имеют сложное строение. Так возникла протон-нейтронная теория строения ядер, разработкой которой занимались немецкий исследователь Вейнер Гейзенберг и наш соотечественник, физик-теоретик, лауреат Сталинской премии Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

Существование позитрона было предсказано англичанином Полем Дираком. Эта положительно заряженная частица, имеющая такую же массу и такой же (по модулю) заряд, что и электрон, была открыта американским физиком-экспериментатором Карлом Дейвидом Андерсеном в космических лучах.

В тридцатых годах 20-го века были открыты взаимные превращения нейтронов и протонов. Было установлено, что элементарные частицы не являются неизменными. В это же время были открыты мюоны– частицы, масса которых составляет 207 электронных масс, а затем и пионы – частицы, которые обеспечивают взаимодействие между нуклонами в ядре атома.

До середины 20 века было открыто большое количество элементарных частиц. Это стало возможно благодаря широкому исследованию космических лучей, внедрению ускорительной техники, развитию ядерной физики.

Виды частиц

В наше время известно порядка 400 элементарных или субъядерных частиц. Большинство из них нестабильно: одни частицы могут самопроизвольно превращаться в другие с течением времени. Исключением из этого являются нейтрино, фотон, протон и электрон.

Время жизни нестабильных частиц значительно разнится. Дольше всех «живет» нейтрон: 15 минут. Существование μ-мезона ограничено отрезком времени в 2,2·10–6 секунды, нейтрального π-мезона – 0,87·10–16 с. Среднее время существования гиперонов, массивных частиц, составляет всего 10–10 с.

Определение 1

По продолжительности существования выделяют следующие группы частиц:

  • относительно стабильные, время жизни которых превосходит 10–17 с;
  • короткоживущие, время жизни которых порядка 10–22–10–23 с.

Основые свойства элементарных частиц

Одним из наиболее важных свойств элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Частицы способны поглощаться (возникать) и испускаться (исчезать). Это относится как к стабильным, так и к нестабильным частицам. Разница лишь в том, что стабильные частицы могут превращаться не самопроизвольно, а в результате взаимодействия с другими частицами.

Определение 2

В процессе аннигиляции (исчезновения) позитрона и электрона появляется фотон большой энергии.

При столкновении фотона, несущего достаточный заряд энергии, с ядром атома появляется электрон-позитронная пара.

Частицы и античастицы

Электрон является двойником позитрона. Антипротон отличается от протона наличием у него отрицательного электрического заряда. Нейтрон не имеет заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента и барионного заряда.

Наличие античастиц установлено для всех элементарных частиц. Встреча частицы и античастицы сопровождается аннигиляцией, в результате которой обе частицы превращаются в кванты излучения или частицы других видов.

Ученые предполагают существование антивещества. Теоретически, это возможно, если в ядре будут антинуклоны, а в оболочке атома позитроны. Взаимодействие вещества и антивещества может привести к выделению огромного количества энергии, которое будет превосходить энергию ядерных и термоядерных реакций.

Группы элементарных частиц

Информацию об основных элементарных частицах мы собрали в таблицу. Размещение частиц соответствует существующей ныне системе классификации элементарных частиц.

Каждая из частиц имеет ряд характеристик: время жизни, масса, выраженная в электронных массах, электрический заряд в единицах элементарного заряда и спин, который также носит название момента импульса, выраженный в единицах постоянной Планка ħ = h2π.

Группа Название частицы Символ Масса (в электронных массах) Электрический заряд Спин Время жизни (с)
Частица Античастица
Фотоны Фотон γ 1 Стабилен
Лептоны Нейтрино электронное νe νe~ 12 Стабильно
Нейтрино мюонное νμ νμ~ 12 Стабильно
Электрон e– e+ 1 –1     1 12 Стабилен
Мю-мезон μ– μ+ 206,8 –1     1 12 2,2·10–6
Адроны Мезоны Пи-мезоны π0 264,1 0,87·10–16
π+ π– 273,1 1     –1 2,6·10–8
К-мезоны K+ K– 966,4 1     –1 1,24·10–8
K0 K0~ 974,1 ≈ 10–10–10–8
Эта-нуль-мезон η0 1074 ≈ 10–18
Барионы Протон p p~ 1836,1 1     –1 12 Стабилен
Нейтрон n n~ 1838,6 12 898
Лямбда-гиперон Λ0 Λ0~ 2183,1 12 2,63·10–10
Сигма-гипероны Σ+ Σ+~ 2327,6 1     –1 12 0,8·10–10
Σ0 Σ0~ 2333,6 12 7,4·10–20
Σ – Σ –~ 2343,1 –1     1 12 1,48·10–10
Кси-гипероны Ξ 0 Ξ 0~ 2572,8 12 2,9·10–10
Ξ – Ξ –~ 2585,6 –1     1 12 1,64·10–10
Омега-минус-гиперон Ω– Ω–~ 3273 –1     1 12 0,82·10–11

Определение 3

Выделяют три основные группы элементарных частиц:

  • фотоны;
  • лептоны;
  • андроны.

Определение 4

Фотоны представлены одной частицей. Это фотон – носитель электромагнитного взаимодействия.

Определение 5

К лептонам относятся легкие частицы:

  • два сорта нейтрино (электронное и мюонное);
  • электрон;
  • μ-мезон.

Объединяет частицы из группы лептонов спин 12. В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.

Определение 6

Андроны делятся на две основные подгруппы:

Определение 7

К подгруппе мезонов относятся:

  • нейтральные, а также положительно и отрицательно заряженные π-мезоны, чья масса составляет порядка 250 электронных масс;
  • четыре K-мезона;
  • η0-мезон.

Спин всех мезонов равен нулю.

Подгруппа барионов по сравнению с мезонами является более обширной и состоит из более тяжелых элементарных частиц. Нуклоны являются самыми легкими из барионов, затем идут гипероны. Масса омега-минус-гиперона составляет 3273 электронных массы. Спин барионов составляет 12.

Кварковая гипотеза

Количество уже открытых и вновь открываемых частиц позволяет предположить, что существуют какие-то более мелкие фундаментальные частицы. В середине 20 века американский физик Мюррей Гелл-Ман выдвинул гипотезу существования кварков, фундаментальных частиц, из которых построены тяжелые элементарные частицы.

Согласно теории Гелл-Мана существует три кварка и три антикварка. Они могут объединяться, образуя различные сочетания.

Определение 8

В состав бариона входит три кварка. Для того, чтобы получить антибарион, должны объединиться три антикварка. Мезон образует пара кварк и антикварк.

Эта теория позволила объяснить существование уже открытых частиц и существование других, еще неизвестных науке. При этом, ряд свойств предсказанных частиц оказался неожиданным для исследователей.

Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными 23 и 13 элементарного заряда.

Поиски кварков в космических лучах и на современных ускорителях высоких энергий оказались безуспешными. Считается, что кварки обладают очень большой массой. В связи с этим, получить кварки при тех энергиях, которые можно получить в современных ускорителях, не получается. Тем не менее, установлено, что кварки существуют внутри тяжелых элементарных частиц, таких как андроны.

 Фундаментальные взаимодействия в природе

Определение 9

Фундаментальные взаимодействия – это процессы, сильно различающиеся по уровню энергии и времени протекания, в которые вступают элементарные частицы. Фундаментальными их называют потому, что их невозможно свести в другим, более простым взаимодействиям.

Определение 10

Выделяют 4 вида фундаментальных взаимодействий:

  • сильное;
  • электромагнитное;
  • слабое;
  • гравитационное.

Сильное взаимодействие

Это вид фундаментального взаимодействия также носит название ядерного, так как оно обуславливает прочную связь между нуклонами в ядре атома. Из числа элементарных частиц в сильном взаимодействии принимают участие андроны (мезоны и барионы).

Сильное взаимодействие считается короткодействующим, так как проявляется на расстоянии порядка 10–15 м и менее.

Электромагнитное взаимодействие

Благодаря этому виду взаимодействия возможно существование молекул и атомов. Оно определяет большинство свойств веществ, находящихся в трех агрегатных состояниях (твердом, жидком и газообразном).

Оно обуславливает протекание процессов поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества, а также целый ряд других физических и химических процессов.

Кулоновское отталкивание, существующее между протонами, объясняет неустойчивость ядер атомов с большими массовыми числами.

В электромагнитном взаимодействии могут участвовать любые частицы, которые обладают электрическим зарядом, а также кванты электромагнитного поля фотоны.

Слабое взаимодействие

Этот вид взаимодействия определяет ход наиболее медленных процессов, которые протекают в микромире, в том числе с участием нейтрино или антинейтрино.

В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые элементарные частицы.

Пример 1

  • Примером слабого взаимодействия может служить β-распад нейтрона, который протекает с участием нейтрино или антинейтрино.
  •  10n→11ρ⇒0-1e+00v0~
  • Также сюда можно отнести процессы распада частиц с большим временем жизни (τ≥10–10 с), которые протекают без участия нейтрино.

Гравитационное взаимодействие

В связи с тем, что масса элементарных частиц мала, силами гравитационного воздействия между ними можно пренебречь. Гравитация имеет значение при взаимодействии космических объектов, чья масса огромна.

Теория обменного взаимодействия

В первой трети прошлого столетия у исследователей появилась гипотеза о том, что все взаимодействия в мире элементарных частиц осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Выдвинули эту гипотезу советские ученые И.Е. Тамм и Д.

Д. Иваненко. Они провели параллели между взаимодействиями, которые возникают в результате обмена частицами, и обменом валентными электронами, которые при образовании ковалентной химической связи объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Определение 11

Обменное взаимодействие – это взаимодействие, которое осуществляется путем обмена частицами.

Определение 12

Электромагнитное взаимодействие, которое наблюдается между заряженными частицами, сопровождается обменом фотонами, квантами электромагнитного поля.

Подтверждением верности теории обменного взаимодействия стали теоретические выкладки японского физика Х. Юкавы, который доказал, что сильное взаимодействие между нуклонами можно объяснить обменом гипотетическими частицами, которые получили название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц. Она оказалась приблизительно равно 300 электронным массам.

Спустя несколько лет частицы с такой массой действительно были обнаружены. Они были названы π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: π+, π- и π0.

Теория электрослабого взаимодействия рассматривает электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия как две разные характеристики одного поля. В таком поле помимо квантов взаимодействие обеспечивают и векторные бозоны.

Теория Великого объединения

После того, как удалось объединить в одну модель слабое и электромагнитное взаимодействия, у исследователей появилась уверенность в том, что связаны между собой все виды взаимодействий. Единственное, чего не хватает для полноты картины, это физического подтверждения таких взаимодействий. До получения доказательств теория остается лишь привлекательной научной гипотезой.

Для того, чтобы объединить слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия, физики-теоретики предположили существование гипотетической частицы под названием гравитон. Однако до настоящего времени существование такой частицы не было подтверждено в ходе экспериментов.

Предполагается, что получить подтверждение теории Великого объединения в современных ускорителях невозможно. А все потому, что единое поле, которое объединяет все виды взаимодействий, существует только при очень больших энергиях частиц. Такая энергия частицы могла наблюдаться только на самых ранних этапах существования вселенной, сразу после Большого взрыва.

Предполагается, что Большой взрыв произошел 18 миллиардов лет назад. В теории, сразу после Большого взрыва температура могла достигать 1032 К, а энергия частиц E = kT достигать значений 1019 ГэВ. В таких условиях материя могла существовать в форме кварков и нейтрино, а все виды взаимодействий были объединены в одно силовое поле.

По мере расширения вселенной энергия частиц уменьшается. Из единого поля при энергиях частиц ≤ 1019 ГэВ выделилось гравитационное взаимодействие.

При энергиях порядка 1014 ГэВ разделились сильное и электрослабое взаимодействия. При энергиях порядка 103 ГэВ все четыре вида фундаментальных взаимодействий оказались разделенными.

Параллельно этому началось формирование более сложных форм материи: нуклонов, ядер атомов, атомов, ионов.

Основываясь на законах физики, описывающих взаимодействие элементарных частиц, создана модель эволюции вселенной, на которую опирается вся современная космология.

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/atomy-jadra/elementarnye-chastitsy/

Ссылка на основную публикацию