Уровни организации материи. Фундаментальная структура материи. Физический вакуум. Классификация элементарных частиц

Микро-, макро-, мегамиры

Фундаментальная структура материи

http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/

Достаточно ль знаком ты с пустотой?

                                                                                                               И.В. Гёте «Фауст» 

Физический вакуум – это первичная субстанция, базовая форма материи, среда охватывающая всю Вселенную, среда с очень низким (но ненулевым!) энергосодержанием.

Физический вакуум – это не пустота!

Состоит из виртуальных частиц, но рождает реальные частицы.

В нем отсутствуют реальные физические поля, имеются лишь нулевые колебания вакуума.

Вакуумные флуктуации тем больше, чем меньше ее пространственно-временные размеры.

Классификация элементарных частиц

	Гравитационное	Сильное	Электромагнитное	Слабое
Относительная сила	10-39	1-15	1 137	10-17
Участники взаимодействий	все	адроны и их компоненты	частицы с  q≠0	Фермионы с фермионами
Характер взаимодействия	притяжение	притяжение	притяжение, отталкивание	меняет тип частиц
Частица-переносчик взаимодействия	гравитон	глюоны	фотон	Промежуточные векторные бозоны
Масса обменной частицы	0	0	0	W+,W- - 160000me, Z0 - 180000me
Расстояние взаимодействия, м	∞	10-15	∞	10-18
Время взаимодействия, с	?	10-22 – 10-24	10-18 – 10-21	10-8 – 10-10
Теория	всемирного тяготения, относительности	квантовой хромодинамики	классической и квантовой электродинамики	квантовой теории поля
Взаимодействие определяет	глобальные процессы консолидации материи в макро- и мегамире	структуру адронов, связь нейтронов и протонов в атомных ядрах, ядерные реакции	силы давления, трения, сопротивления, упругости, химические силы, свойства вещества и электро-магнитных излучений	распад и превращение элементарных частиц с участием нейтрино, безнейтринный распад с большим временем жизни распадающейся частицы
Примеры	pppp	ud	e pH	npe e

Участвуют в сильном взаимодействии.

Бывают электрически заряженные и нейтральные. Нестабильны (очень быстро распадаются).

Барионы имеют барионный заряд (В=1).

(протон, нейтрон, гипероны и барионные резонансы).

 

Нуклоны – общее название для протонов и нейтронов.

Мезоны – не имеют барионного заряда (В=0). (пионы или пи-мезоны, каоны или К-мезоны).

Все барионы состоят из трех кварков, а мезоны – из кварка и антикварка.

Участвуют преимущественно в слабом взаимодействии и не участвуют в сильном.

Истинно элементарны (не состоят из других частиц).

Бывают электрически заряженные и нейтральные.

Несут  лептонный заряд (L=1).

Лептоны: электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им электронное, мюонное и тау-нейтрино.

Лептонный заряд (аналогично барионному заряду) не связан ни с какими полями, а просто является средством учета количества лептонов в реакциях.

Античастицы – это такие же частицы, имеющие те же значения масс, времен жизни, спинов и других физических характеристик, что и соответствующие им частицы. Главное отличие заключается в том, что заряды античастиц имеют знаки, противоположные соответствующим им частицам.

НЕСТАБИЛЬНЫЕ

ФОТОН                   НЕЙТРОН

ПРОТОН                      МЮОН

ЭЛЕКТРОН     ТАУ-ЛЕПТОН

3 ТИПА НЕЙТРИНО                ^МЕЗОНЫ

+ ИХ АНТИЧАСТИЦЫ РЕЗОНАНСЫ + ИХ АНТИЧАСТИЦЫ ….……..

Фермионы  и  бозоны

Поколение	Кварки			Лептоны
	Название аромата	Масса, ГэВ/с2	Электрический заряд, q/e	Название	Масса, ГэВ/с2	Электрический заряд, q/e
I	u (up) d (down)	0,33 0,34	+ 2/3 – 1/3	e (электрон ) νe (электронное нейтрино)	0,511 < 17 эВ/с2	– 1    0
II	с (charm) s (strange)	1,5 0,45	+ 2/3 – 1/3	μ (мюон ) νμ(мюонное нейтрино)	105,7 < 0,27	– 1    0
III	t (truth) b (beauty)	174 4,9	+ 2/3 – 1/3	τ (таон ) ντ(таонное нейтрино)	1784 < 35	– 1    0

Название, символ	Тип переносимого взаимодействия	Электрический заряд	Масса, ГэВ	Спин
Гравитон G	Гравитационное	0	0	2
Фотон γ	Электромагнитное	0	< 3·10-36 эВ	1
Векторные бозоны W+ W– Z0	Слабое	+ 1 – 1 0	9·10-16 9·10-16 10,3·10-16	1 1 1
Глюоны g1, …, gg	Сильное	0	0	1
Хиггсы H0 H±	Кванты хиггсовских полей	0 ?	> 6,7·10-16 ?	0

Большой  адронный  коллайдер

http://public.web.cern.ch/public/

«Большой»  из-за размера: ~27 км.

«адронный» – потому что ускоряет протоны и тяжелые ядра, которые являются адронами.

«коллайдер» – потому что ускоряются эти частицы в двух пучках, циркулирующих в нём в противоположных направлениях, и в специальных местах сталкиваются друг с другом.

Суммарная энергия двух пучков протонов 14 ТэВ.

БАК – это уникальный объект не только на Земле, но и в Галактике. С одной стороны – это самое горячее место в Галактике: при столкновении пучков частиц генерируется температура в 100 000 раз больше, чем в центре Солнца, с другой стороны, детекторы коллайдера охлаждены до температуры минус 271,3  градуса Цельсия – такого холода нет даже в открытом космосе. Чтобы организовать эти сверхгорячие взрывы, пришлось разогнать частицы до самых высоких скоростей  скоростей – 99,9999991%  от скорости света. А чтобы обработать весь фантастический объем  информации, потребовалось построить уникальную телекоммуникационную, которая анализировала информацию емкостью 15 млн. ГГб. Сеть распределяла работу по различным центрам обработки во всем мире (Грид-система).

Бозон Хиггса

Предсказан британским физиком Питером Хиггсом в 1964 году.

Частица, похожая на бозон Хиггса, открыта на БАК в 2012 году.

Открыте бозона Хиггса – это не просто рядовое открытие еще одной