Элементарные частицы и античастицы. Открытие элементарных частиц

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

Элементарные  частицы и античастицы.

Открытие элементарных частиц

 

 

ученица 11 «Б»  класса

средней школы  № 12

Печенькова  Анастасия

 

 

 

 

 

 

 

 

Витебск

2013

 

СОДЕРЖАНИЕ

1. История  исследования элементарных частиц…….… стр. 3

2. Элементарные  частицы………………………………….стр. 3

3. Классификация элементарных частиц………………..стр. 4

4. "Элементарны"  ли элементарные частицы?...............стр. 7

5. Открытие  положительного электрона - позитрона…. стр.7

6. Античастицы ……………………………………………..стр. 8

7. Античастицы и антивещество…………………………..стр.10

6. Литература………………………………………………. стр. 12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. История  исследования элементарных частиц

История исследования элементарных частиц и фундаментальных  взаимодействий насчитывает более  двух с половиной тысяч лет  и восходит к идеям древнегреческих натурфилософов о строении Мира. Однако серьезная научная разработка данного вопроса началась только в конце XIX-го века. В 1897 году выдающийся английский физик-экспериментатор Дж.Дж.Томсон определил отношение заряда электрона к его массе. Тем самым, электрон окончательно обрел статус реального физического объекта и стал первой известной элементарной частицей в истории человечества.

За сто с  небольшим лет физики провели  тысячи сложнейших и точнейших экспериментов, призванных отыскать другие элементарные частицы и выявить фундаментальные взаимодействия между ними. Результаты экспериментов объяснялись серией последовательно сменявших друг друга теорий. Последняя в их ряду - Стандартная модель взаимодействия элементарных частиц (СМ), включающая в себя минимальную модель электрослабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга-Салама и Квантовую хромодинамику (КХД). Можно сказать, что на сегодняшний день именно СМ является реальным итогом многолетней работы сотен тысяч людей от "высоколобых" теоретиков до простых инженеров и лаборантов.

2. Элементарные частицы

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части.

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы — протон, нейтрон и т. д.) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно

Строение и поведение  элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.

3. Классификация элементарных частиц

По величине спина 

Все элементарные частицы  делятся на два класса:

• бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса).
• фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

По видам взаимодействий 

Элементарные частицы  делятся на следующие группы:

Составные частицы 

• адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
• мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;
• барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы 

• лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10⁻¹⁸ м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
• кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
• калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
• фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
• восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;
• три промежуточных векторных бозона W⁺, W⁻ и Z⁰, переносящие слабое взаимодействие;
• гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.

Кроме того, в Стандартной  модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, первые экспериментальные указания на существование которого появились в 2012 году.

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. В табл. 1 представлены некоторые сведенья о свойствах элементарных частиц со временем жизни более 10^–20 с. Из многих свойств, характеризующих элементарную частицу, в таблице указаны только масса частицы (в электронных массах), электрический заряд (в единицах элементарного заряда) и момент импульса (так называемый спин) в единицах постоянной Планка ħ = h / 2π. В таблице указано также среднее время жизни частицы.

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

Таблица 1

4. "Элементарны" ли элементарные частицы?

Позднейшие исследования показали, что частицы, ранее названные элементарными – протон, электрон и нейтрон, не являются таковыми. Они могут разделяться на меньшие составляющие, а также превращаться друг в друга. Кроме того, были открыты многие другие элементарные частицы, как делимые, так и неделимые.

Поэтому теперь название «элементарные частицы» характеризует не наименьшие неделимые частицы, а то, что эти частицы являются мельчайшими частицами материи и не являются сами по себе атомами или ядрами атомов вещества. Исключение составляет лишь протон, который сам по себе является ядром атома водорода.

На сегодняшний момент известно более 350 видов элементарных частиц. Частицы эти обладают самыми разнообразными свойствами и различаются  как электрическим зарядом, так  и массой, магнитным моментом, проникающей  способностью и временем жизни, а  так же некоторыми другими характеристиками.

5. Открытие положительного электрона - позитрона

В 1932 году американским ученым Андерсоном было сделано важнейшее  открытие. Он обнаружил частицу, которая  по всем характеристикам представляла собой электрон, но имела противоположный по знаку электрический заряд. Эту частицу назвали позитроном.

В 1929 году существование  такой частицы было предсказано  экспериментально. Также было предсказано, что при столкновении позитрона  с электроном произойдет аннигиляция, то есть исчезновение этой пары частиц, а также взрыв, сопровождающийся выделением энергии и рождением фотонов. Позднее опытным путем удалось наблюдать подтверждение этой гипотезы.

В 60-х годах удалось  обнаружить также антипротон и антинейтрон. Антипротон отличается от протона знаком, а антинейтрон, будучи электрически нейтральным, отличается противоположным магнитным моментом от нейтрона и распадается на частицы, которые являются античастицами тем, которые образуются при распаде нейтрона.

 

6. Античастицы

Для всякой известной элементарной частицы имеется вероятность найти античастицу — то есть частицу с той же массой, но противоположными другими физическими характеристиками.

В 1920-е годы —  после введения принципов квантовой  механики — субатомный мир представлялся  крайне простым. Всего два вида элементарных частицы — протоны и нейтроны — составляли ядро атома (хотя экспериментально существование нейтронов и было подтверждено лишь в 1930-е годы), и один вид частиц — электроны — существовали за пределами ядра, вращаясь вокруг него на орбитах. Казалось, всё многообразие Вселенной выстроено из этих трех частиц.

Увы, столь простой  картине мира суждено было просуществовать  недолго. Ученые, оборудовав высокогорные лаборатории по всему миру, принялись  за изучение состава космических  лучей, бомбардирующих нашу планету (см. Элементарные частицы), и вскоре начали открывать всевозможные частицы, не имеющие ни малейшего отношения к вышеописанной идиллической триаде. В частности, были обнаружены совершенно немыслимые по своей природе античастицы.

Мир античастиц — своего рода зеркальное отражение  знакомого нам мира. Масса античастицы  в точности равняется массе частицы, которой она вроде бы соответствует, но все её остальные характеристики противоположны прообразу. Например, электрон несёт отрицательный электрический заряд, а парная ему античастица — «позитрон» (производное от «позитивный электрон») — положительный. У протона заряд положительный, а у антипротона — отрицательный. И так далее. При взаимодействии частицы и парной ей античастицы происходит их взаимная аннигиляция — обе частицы прекращают свое существование, а их масса преобразуется в энергию, которая рассеивается в пространстве в виде вспышки фотонов и прочих сверхлегких частиц.

Существование античастиц впервые предсказал Поль Дирак в статье, опубликованной им в 1930 году. Чтобы понять, как ведут себя частицы и античастицы при взаимодействии по Дираку, представьте себе ровное поле. Если взять лопату и вырыть в нём ямку, в поле появятся два объекта - собственно ямка и кучка грунта рядом с ней. Теперь представим, что кучка грунта — это обычная частица, а ямка, или «отсутствие кучки грунта», — античастица. Засыпьте ямку ранее извлеченным из неё грунтом — и не останется ни ямки, ни кучки (аналог процесса аннигиляции). И снова перед вами ровное поле.

Пока шло теоретизирование вокруг античастиц, молодой физик-экспериментатор  из Калифорнийского технологического института Карл Дейвид Андерсон (Carl David Anderson) (1905–1991) монтировал оборудование астрофизической лаборатории на вершине Пайк в штате Колорадо, намереваясь заняться изучением космических лучей. Работая под руководством Роберта Милликена (см. Опыт Милликена), он придумал установку для регистрации космических лучей, состоящую из мишени, помещенной в мощное магнитное поле. Бомбардируя мишень, частицы оставляли в камере вокруг мишени треки из капелек конденсата, которые можно было сфотографировать и по полученным фотографиям изучать траектории движения частиц.

При помощи этого  аппарата, получившего название конденсационная  камера, Андерсон смог зарегистрировать частицы, возникающие в результате столкновения космических лучей с мишенью. По интенсивности трека, оставленного частицей, он мог судить о ее массе, а по характеру отклонения ее траектории в магнитном поле — определить электрический заряд частицы. К 1932 году ему удалось зарегистрировать ряд столкновений, в результате которых образовывались частицы с массой, равной массе электрона, однако отклонялись они под воздействием магнитного поля в противоположную сторону по сравнению с электроном и, следовательно, имели положительный электрический заряд. Так была впервые экспериментально выявлена античастица — позитрон. В 1932 году Андерсон опубликовал полученные результаты, а в 1936 году был отмечен за них половиной Нобелевской премии по физике. (Вторую половину премии получил австрийский физик-экспериментатор Виктор Франц Гесс (Victor Franz Hess) (1883–1964), впервые экспериментально подтвердивший существование космических лучей. — Прим. переводчика.) Это был первый (и, пока что, последний) случай присуждения Нобелевской премии ученому, официально даже не числившемуся на тот момент в штате научных сотрудников своего университета!