Элементарная частица

Элементарная частица

Элементарные частицы (англ. Elementary particles) - мельчайшие неделимые объекты в микромире (в атомном, ядерном и субъядерном масштабе). Из элементарных частиц состоят атомы и атомные ядра. Экспериментально установлено, что элементарные частицы одновременно обладают корпускулярными и волновыми свойствами (корпускулярно-волновой дуализм).Оглавление

1 История

2 Классификация элементарных  частиц 

2.1 Классификация элементарных  частиц в квантовой теории

2.2 Классификация элементарных  частиц в полевой теории

3 Систематизация элементарных  частиц

4 Разное

1 История

С открытием элементарных частиц физика задалась вопросом об их количестве и строении. Пока элементарных частиц было открыто порядка 10 –  каждая элементарная частица считалась  истинно элементарной, и делались попытки объяснить строение элементарных частиц исходя из электромагнитного  поля. Но построить сходу полевую  теорию элементарных частиц не получилось и постепенно это направление  физики ушло в тень, хотя работы в  нем продолжаются.

Параллельно классической полевой  теории в физике велись работы по созданию квантовой теории поля, которые и  вышли на передний план.

 В основе квантовой теории лежит утверждение, что взаимодействия носят дискретный характер и передаются с помощью переносчиков – квантов.

Но реально в природе  были обнаружены только фотон и другие элементарные частицы. Поэтому в  качестве не обнаруженных переносчиков взаимодействий элементарных частиц были выбраны сами элементарные частицы, которым приписывалась возможность  временного существования и в  виртуальном состоянии в нарушение  закона сохранения энергии. Ну а поскольку  существование виртуальных частиц кратковременное то доказать или  опровергнуть экспериментально данное утверждения не представляется возможным.

Так вот квантовая теория утверждает, что элементарные частицы (участвующие с точки зрения квантовой  теории в сильных взаимодействиях) имеют сложную структуру и  состоят из кварков. В качестве математического  обоснования гипотезы кварков была разработана унитарная симметрия. Но кварки в свободном виде не были обнаружены, ни при каких энергиях и тогда квантовой теории пришлось придумать механизм препятствующий появлению кварков в свободном  виде.

Для этого глюоны (предполагаемые переносчики сильных взаимодействий также не найденные в природе) были наделены уникальными свойствами (конфайнмент) – способностью создавать себе подобных при движении (такой способностью не обладает ни одна элементарная частица). Понятно, что закон сохранения энергии опять был проигнорирован.

Несмотря на определенный успех квантовой теории работы над  полевой теорией элементарных частиц не прекращались. Прогресс в данном направлении наметился в середине 70-х годов прошлого века, когда  была сделана попытка объединить классику с не противоречащей ей частью квантовой механики. Так в результате ввода квантовых чисел удалось  получить правильный спектр основных состояний элементарных частиц (включающий фотон, лептоны без тау-лептона, мезоны, барионы, векторные мезоны). Стало ясно, что данное направление является перспективным. Дальнейшая работа, подкрепленная развитием вычислительной техники и появлением компьютеров позволяющих рассчитывать взаимодействия магнитных полей привела к значительному продвижению полевой теории элементарных частиц.

Теперь полевая теория элементарных частиц описывает весь спектр элементарных частиц, в котором  естественно не нашлось места  для кварков с глюонами. Кроме того она объяснила откуда берется электрический заряд элементарных частиц и почему он квантуется, магнитные поля элементарных частиц и чем на самом деле являются ядерные силы. Но самое главное – это то, что все законы природы действуют, в том числе и такой нелюбимый квантовой теорией закон сохранения энергии.

Подведем итог:

Квантовая теория утверждает, что каждая элементарная частица  участвующая в сильных взаимодействиях (адрон), состоит из кварков –  но кварков не нашли ни при каких  энергиях.

Полевая теория утверждает, что элементарные частицы (с квантовым  числом L>0) состоят из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного  поля с постоянной составляющей –  с электромагнитными полями мы сталкиваемся на каждом шагу. Число элементарных частиц бесконечно и каждая элементарная частица (с квантовым числом L>0) имеет бесконечное число возбужденных состояний. Благодаря наличию переменного  электромагнитного поля элементарные частицы обладают волновыми свойствами.

Элементарная частица  с квантовым числом L>0 в полевой  теории

Как мы видим, полевая теория охватывает все элементарные частицы  и объясняет их строение исходя из реально существующих в природе  полей.

2 Классификация элементарных  частиц

2.1 Классификация элементарных  частиц в квантовой теории

С точки зрения квантовой  теории все элементарные частицы  делятся на два класса:

фермионы - элементарные частицы  с полуцелым спином;

бозоны - элементарные частицы  с целым спином.Фундаментальные взаимодействия (в квантовой теории)

· Сильное взаимодействие

· Электромагнитное взаимодействие

· Слабое взаимодействие

· Гравитация

По видам взаимодействий квантовая теория разделяет элементарные частицы на следующие группы:

адроны - элементарные частицы, участвующие во всех видах фундаментальных  взаимодействий;

лептоны - фермионы, участвующие  в электромагнитном и слабом взаимодействиях;

калибровочные бозоны - фотон, промежуточные векторные бозоны и предполагаемые переносчики взаимодействий.  Элементарные частицы (с точки зрения стандартной модели)

Фермионы Кварки: 

· Верхний · Нижний ·  Странный · Очарованный · Прелестный · Истинный

Лептоны:

· Электрон · Позитрон ·  Мюон · Тау-лептон · Нейтрино

Калибровочные бозоны 

· Фотоны · W- и Z-бозоны (векторные  мезоны)

До сих пор не обнаружены · Бозон Хиггса · Глюоны (бозоны) · Гравитон · Другие гипотетические частицы

 

Здесь указаны предполагаемые, но не найденные в природе: кварки, глюоны, гравитон, бозон Хиггса, но не указаны мезоны и барионы, поскольку квантовая теория не считает данные элементарные частицы истинно элементарными. Кроме того часть векторных мезонов квантовая теория отнесла к элементарным частицам поскольку она считает, что они являются переносчиками слабого взаимодействия (постулированного квантовой теорией) - это W- и Z-бозоны. Остальные векторные мезоны квантовая теория не считает элементарными частицами.

 

2.2 Классификация элементарных  частиц в полевой теории

С точки зрения полевой  теории элементарных частиц все элементарные частицы делятся на группы по квантовому числу L лежащему в основе спина. Из бесконечного набора возможных значений спина выделяется только нуль (L=1) поскольку  в этой группе мезонов невозможно отличить нейтральную частицу от античастицы.

Все элементарные частицы  можно разбить на следующие основные группы:

фотон

лептоны

мезоны

барионы

векторные мезоны

При этом число барионов и  векторных мезонов в основном состоянии в природе бесконечно. Данная классификация разбивает  элементарные частицы по квантовому числу L.

 

Элементарные частицы: фрагмент спектра основных состояний (по полевой  теории)

Слабых взаимодействий в  природе нет, а степень участия  элементарных частиц в ядерных силах  определяется квантовым числом L (см. строение элементарных частиц) и энергией сосредоточенной в постоянном магнитном  поле. С ростом квантового числа L растет процент энергии сосредоточенной  в постоянном магнитном поле элементарных частиц, а также величина массы  покоя - следовательно, растет и степень  участия частицы в "сильных" взаимодействиях. Так что из четырех (предполагаемых квантовой теорией) типов фундаментальных взаимодействий в природе реально существует только два - электромагнитные и гравитационные, как и соответствующие им поля.Фундаментальные взаимодействия (в природе)

· Электромагнитные взаимодействия 

· Гравитация

 

При этом электромагнитные взаимодействия отличаются от электромагнитного взаимодействия, учитываемого квантовой теорией, поскольку  электромагнитные взаимодействия учитывают  взаимодействия не только электрических но и магнитных полей.

 

3 Систематизация элементарных  частиц

Имеется только одна систематизация элементарных частиц и их возбужденных состояний вытекающая из полевой  теории элементарных частиц.

4 Разное

Сторонники квантовой  теории уверены, что в экспериментах  по рассеянию наблюдаются следы  кварков в протоне. - Но это одно из возможных объяснений.

Возьмем число гипотетических кварков в адроне и разделим его  на два - получится главное квантовое  число (L) элементарных частиц в полевой  теории. И это не просто совпадение. Дело в следующем: поскольку внутри элементарных частиц вращается переменное электромагнитное поле - в них будут  стоячие волны (это описано в  волновых теориях, например [1]). А в  стоячих волнах имеются участки  с максимальной интенсивностью (пучности), но также имеются точки, в которых  интенсивность всегда равна нулю (узлы) (см. [2]). Если рассматривать стоячую волну с точки зрения плотности массы, то ее математически можно условно разбить на несколько равных частей (равно числу пучностей) - и это оказывается равным числу кварков в адронах.

Отсюда следует еще  одно объяснение экспериментов: В экспериментах  по рассеянию наблюдаются стоячие  волны переменного электромагнитного  поля внутри элементарных частиц. Этим и объясняется невозможность  их разбиения на отдельные участки - электромагнитное поле непрерывно и  не рассыпается на осколки, а преобразуется  по законам природы.

5 Итог

У полевой теории элементарных частиц нет принципиальных расхождений  с волновыми теориями, поскольку  ее можно рассматривать как дальнейшее развитие волнового направления  в физике. Если бы в свое время  у волнового направления хватило  сил противостоять установлению монополии на истину со стороны квантовой  теории - сейчас бы в учебниках физики было бы написано совсем другое, и не было бы такого количества математических сказок. Но что было - то было, а ошибки, совершенные физикой, предстоит  исправить.

Было бы неверно вместе с ошибками отбросить и то рациональное, что есть в квантовой теории. Да, в природе нет квантов как  переносчиков взаимодействий постулированных  квантовой теорией - но в природе  есть корпускулярные свойства вещества и еще очень много необъясненного. Поэтому, то рациональное, что есть в квантовой теории должно остаться. Исчезнет только ее монополия на истину и все последующие утверждения  предстоит не постулировать, а доказывать. Я здесь не говорю "Стандартная  модель" поскольку модель, в отличие  от теории, может предполагать все  и ничего не должна доказывать. Но тогда  с нее и спрос соответствующий. Я говорю именно о теории как о  научном объяснении действительности.

Итак:Полевая теория элементарных частиц описывает микромир исходя из реально существующих в природе полей, оставаясь в рамках, действующих в природе законов