در تنوع ذرات بنیادی، که تا به امروز شناخته شده است، یک سیستم طبقه بندی کم و بیش هماهنگ را نشان می دهد (شکل 2).

بنابراین، ذرات بنیادی که از نظر خواص و ماهیت برهمکنش متفاوت هستند، معمولاً به دو گروه بزرگ تقسیم می شوند:

فرمیون ها - ذرات با اسپین نیمه صحیح (قاب، الکترون، پروتون، نوترون، نوترینو).

و بوزون ها ذرات با اسپین عدد صحیح (فوتون، گلوئون، مزون) هستند (شکل 1).

فرمیون ها ماده را تشکیل می دهند، بوزون ها برهم کنش ها را انجام می دهند.

چهار نوع برهمکنش بین ذرات وجود دارد که هر کدام توسط نوع خاص خود از بوزون ها انجام می شود.

یک فوتون یا یک کوانتوم نور حامل برهمکنش الکترومغناطیسی است.

گلوئون ها انتقال فعل و انفعالات هسته ای قوی را انجام می دهند که کوارک ها را به هم متصل می کنند.

بوزون های برداری حامل برهمکنش های ضعیفی هستند که مسئول برخی از فروپاشی ذرات هستند.

شکل - 1 ذرات بنیادی

بر اساس انواع فعل و انفعالات، ذرات بنیادی به موارد زیر تقسیم می شوند:

ذرات مرکب: هادرون ها ذراتی هستند که در انواع برهمکنش های اساسی شرکت می کنند. تعداد کلحدود چهارصد آنها از کوارک ها تشکیل شده اند و به نوبه خود به زیر تقسیم می شوند: مزون ها - ذرات با اسپین عدد صحیح (صفر). چنین ذرات بوزون نامیده می شود. باریون ها هادرون هایی با اسپین نیمه صحیح (فرمیون ها) و جرم های کمتر از جرم یک پروتون هستند. به استثنای پروتون، همه ناپایدار هستند.

ذرات بنیادی یک ذره بنیادی بدون ساختار هستند که هنوز به عنوان یک ذره مرکب توصیف نشده است. در حال حاضر، این اصطلاح عمدتاً برای لپتون ها و کوارک ها (6 ذره از هر نوع، همراه با پادذرات، مجموعه ای از 24 ذره بنیادی را تشکیل می دهند) در رابطه با بوزون های گیج(ذرات حامل برهمکنش‌های بنیادی): لپتون‌ها - فرمیون‌ها که شکل ذرات نقطه‌ای دارند (یعنی از چیزی تشکیل نشده‌اند) تا مقیاس‌های 10 تا 18 متر. در برهمکنش‌های قوی شرکت نکنید. مشارکت در فعل و انفعالات الکترومغناطیسی تنها برای لپتون‌های باردار (الکترون‌ها، میون‌ها، لپتون‌های تاو) به صورت تجربی مشاهده شد و برای نوترینوها مشاهده نشد. 6 نوع لپتون وجود دارد. کوارک ها ذرات باردار کسری هستند که هادرون ها را می سازند. آنها در حالت آزاد مشاهده نشدند (یک مکانیسم حبس برای توضیح عدم وجود چنین مشاهداتی پیشنهاد شد).

فراوانی هادرون‌های کشف‌شده و تازه کشف‌شده، دانشمندان را به این باور رساند که همه آنها از برخی ذرات بنیادی دیگر ساخته شده‌اند. در سال 1964، فیزیکدان آمریکایی M.Gell-Mann فرضیه ای را مطرح کرد که با تحقیقات بعدی تأیید شد، مبنی بر اینکه همه ذرات اساسی سنگین - هادرون - از ذرات بنیادی تری به نام کوارک ساخته شده اند. بر اساس فرضیه کوارک، نه تنها ساختار هادرون های شناخته شده از قبل شناخته شده بود، بلکه وجود هادرون های جدید نیز پیش بینی شد.

نظریه ژل-مان وجود سه کوارک و سه آنتی کوارک را فرض می‌کرد که در ترکیب‌های مختلف به یکدیگر متصل می‌شوند. بنابراین، هر باریون از سه کوارک تشکیل شده است. آنتی باریون از سه آنتی کوارک ساخته شده است. مزون ها از جفت کوارک - آنتی کوارک تشکیل شده اند.

مانند لپتون ها، کوارک ها به 6 نوع تقسیم می شوند و بدون ساختار در نظر گرفته می شوند، اما برخلاف لپتون ها در برهم کنش های قوی شرکت می کنند.

بوزون های گیج ذراتی هستند که از طریق آنها فعل و انفعالات انجام می شود:

فوتون ذره ای است که حامل برهمکنش الکترومغناطیسی است. آنها جرم ندارند، اما می توانند انرژی و تکانه را انتقال دهند.

هشت گلوئون - ذراتی که دارای فعل و انفعالات قوی هستند.

سه بوزون بردار میانی W +، W - و Z 0، حامل برهمکنش ضعیف.

گراویتون یک ذره فرضی است که حامل برهمکنش گرانشی است. وجود گراویتون ها، اگرچه به دلیل ضعف برهم کنش گرانشی هنوز به صورت تجربی ثابت نشده است، کاملاً محتمل در نظر گرفته می شود. با این حال، گراویتون بخشی از مدل استاندارد ذرات بنیادی نیست.

هادرون ها و لپتون ها ماده را تشکیل می دهند. بوزون های گیج کوانتومی هستند انواع متفاوتتابش - تشعشع. علاوه بر این، مدل استاندارد لزوماً حاوی بوزون هیگز است که با این حال، هنوز به طور تجربی کشف نشده است.

همانطور که می بینید، تعریف یک ذره بنیادی و خواص آنها چندان آسان نیست. مفهوم ذرات بنیادی مبتنی بر واقعیت ساختار گسسته ماده است. تعدادی از ذرات بنیادی ساختار داخلی پیچیده ای دارند، اما جدا کردن آنها به قطعات غیرممکن است.

در استفاده رایج، فیزیکدانان ذرات بنیادی را که اتم و هسته اتمی نیستند، به استثنای پروتون و نوترون می نامند.

دیگر ذرات بنیادی در این لحظهبدون ساختار در نظر گرفته می شوند و به عنوان ذرات اولیه - بنیادی در نظر گرفته می شوند که به عنوان ریز ذرات درک می شوند که ساختار داخلی آنها را نمی توان به عنوان ترکیبی از ذرات آزاد دیگر نشان داد.

شکل 2 - طبقه بندی ذرات بنیادی

بنابراین، عالم صغیر دنیای ریز اجرام بسیار کوچک و غیر قابل مشاهده مستقیم است که تنوع فضایی آن از 10 تا 8 تا 10 تا 16 سانتی متر محاسبه می شود و زمان زندگی - از بینهایت تا 10 تا 24 ثانیه است.

اجسام ریزجهان ذرات بنیادی و بنیادی، هسته ها، اتم ها و مولکول ها هستند.

ذرات بنیادی ذراتی هستند که بخشی از اتم "تقسیم ناپذیر" قبلی هستند؛ آنها همچنین شامل آن دسته از ذرات هستند که با کمک شتاب دهنده های ذرات قدرتمند به دست می آیند.

ذرات بنیادی هستند که هنگام عبور پرتوهای کیهانی از جو به وجود می آیند، آنها برای میلیونیم ثانیه وجود دارند، سپس تجزیه می شوند، به ذرات بنیادی دیگر تبدیل می شوند یا انرژی را به شکل تابش ساطع می کنند.

بنابراین معلوم شد که تعریف یک ذره بنیادی چندان آسان نیست. در استفاده رایج، فیزیکدانان ذرات بنیادی را که اتم و هسته اتمی نیستند، به استثنای پروتون و نوترون می نامند.

پس از ایجاد ساختار پیچیده بسیاری از ذرات بنیادی، لازم بود مفهوم جدیدی معرفی شود - ذرات بنیادی که به عنوان ریز ذرات درک می شوند که ساختار داخلی آنها را نمی توان به عنوان ترکیبی از ذرات آزاد دیگر نشان داد.

فرمیون ها ماده را تشکیل می دهند، بوزون ها برهم کنش ها را انجام می دهند. کوارک ها بخشی از هادرون ها هستند.

پپتون ها می توانند بار الکتریکی یا خنثی باشند.

لپتون‌های باردار می‌توانند مانند الکترون‌ها (مرتبط با آنها)، در اطراف هسته‌ها بچرخند و اتم‌ها را تشکیل دهند. لپتون هایی که بار ندارند می توانند بدون هیچ مانعی از ماده (حتی در کل زمین) بدون برهمکنش با آن عبور کنند.

هر ذره دارای یک پادذره است که فقط از نظر بار متفاوت است.

برای توصیف پدیده های ریز جهان معمولاً از مکانیک کوانتومی استفاده می شود که قوانین آن مبنای مطالعه ساختار ماده را تشکیل می دهد. آنها شفاف سازی ساختار اتم ها، ایجاد ماهیت پیوندهای شیمیایی، توضیح جدول تناوبی عناصر، درک ساختار هسته های اتم و مطالعه خواص ذرات بنیادی را ممکن کردند.

بنابراین، چیزهای غیرمعمول و غیرمنتظره زیادی برای دانش وجود دارد. دنیای فیزیکیاین منطقه، دنیای کوچک است.



ذرات مرکب:

هادرون های 1.1 ذراتی هستند که در انواع برهمکنش های بنیادی شرکت می کنند. آنها از کوارک ها تشکیل شده اند و به نوبه خود به زیر تقسیم می شوند:

1.1.1 مزون (هادرون با اسپین عدد صحیح، به عنوان مثال بوزون)؛

1.1.2 باریون (هادرون با اسپین نیمه صحیح، یعنی فرمیون ها). اینها به ویژه شامل ذرات تشکیل دهنده هسته اتم - پروتون و نوترون هستند.

ذرات بنیادی (بدون ساختار):

لپتون‌های 2.1 فرمیون‌هایی هستند که شکل ذرات نقطه‌ای دارند (یعنی از چیزی تشکیل نشده‌اند) تا مقیاس‌های 10 تا 18 متر. آنها در برهم‌کنش‌های قوی شرکت نمی‌کنند. مشارکت در فعل و انفعالات الکترومغناطیسی تنها برای لپتون‌های باردار (الکترون‌ها، میون‌ها، لپتون‌های تاو) به صورت تجربی مشاهده شد و برای نوترینوها مشاهده نشد. 6 نوع لپتون وجود دارد.

کوارک های 2.2 ذرات باردار کسری هستند که هادرون ها را تشکیل می دهند. آنها در حالت آزاد مشاهده نشدند (یک مکانیسم حبس برای توضیح عدم وجود چنین مشاهداتی پیشنهاد شد). آنها مانند لپتون ها به 6 نوع تقسیم می شوند و بدون ساختار هستند، اما بر خلاف لپتون ها در فعل و انفعالات قوی شرکت می کنند.

بوزون های گیج 2.3 ذراتی هستند که از طریق آنها فعل و انفعالات انجام می شود:

2.3.1 فوتون - ذره ای که حامل برهمکنش الکترومغناطیسی است.

2.3.2 هشت گلوئون - ذرات حامل برهمکنش قوی.

2.3.3 سه بوزون بردار میانی W +, W? و Z0 حامل برهمکنش ضعیف است.

2.3.4 گراویتون یک ذره فرضی است که حامل برهمکنش گرانشی است. وجود گراویتون ها، اگرچه به دلیل ضعف برهم کنش گرانشی هنوز به صورت تجربی ثابت نشده است، کاملاً محتمل در نظر گرفته می شود. با این حال، گراویتون بخشی از مدل استاندارد نیست.

هادرون ها و لپتون ها ماده را تشکیل می دهند. بوزون های گیج کوانتوم هایی از انواع مختلف تابش هستند.

علاوه بر این، مدل استاندارد لزوماً حاوی بوزون هیگز است که با این حال، هنوز به طور تجربی کشف نشده است.

در ابتدا، اصطلاح "ذره بنیادی" به معنای چیزی کاملاً ابتدایی، اولین آجر ماده بود. با این حال، هنگامی که صدها هادرون در دهه 1950 و 1960 با خواص مشابه، مشخص شد که توسط حداقلهادرون ها دارای درجات آزادی درونی هستند، یعنی به معنای دقیق کلمه ابتدایی نیستند. این سوء ظن زمانی تایید شد که معلوم شد هادرون ها از کوارک ها تشکیل شده اند.

بنابراین، ما کمی بیشتر در ساختار ماده پیشرفت کرده‌ایم: لپتون‌ها و کوارک‌ها اکنون ابتدایی‌ترین و نقطه‌مانندترین بخش‌های ماده در نظر گرفته می‌شوند. برای آنها (همراه با بوزون های گیج) از اصطلاح "ذرات بنیادی" استفاده می شود.

چهار نوع برهمکنش بین ذرات وجود دارد که هر کدام توسط نوع بوزون خاص خود انجام می شود: فوتون، کوانتوم نور - برهمکنش های الکترومغناطیسی، گرانش - نیروهای گرانشی که بین هر اجسامی با جرم عمل می کنند. هشت گلوون حامل برهمکنش های هسته ای قوی هستند که کوارک ها را به هم متصل می کنند. بوزون های بردار میانی حامل برهمکنش های ضعیفی هستند که مسئول برخی از فروپاشی ذرات هستند. اعتقاد بر این است که تمام نیروهای موجود در طبیعت به این چهار فعل و انفعال کاهش می یابد. یکی از بارزترین دستاوردهای قرن ما اثبات آن بود که با بسیار دمای بالا(یا انرژی ها) هر چهار تعامل در یک ادغام می شوند.

در انرژی 100 GeV (109 eV)، برهمکنش های الکترومغناطیسی و ضعیف با هم ترکیب می شوند. این انرژی مربوط به دمای جهان 10-10 ثانیه پس از انفجار بزرگ و 4 تریلیون برابر بیشتر از دمای اتاق است. این کشف این امکان را فراهم کرد که فرض کنیم در انرژی حدود 10 15 گیگا ولت می توان به یکپارچگی فعل و انفعالات قوی با آنها دست یافت، همانطور که در تئوری های اتحاد بزرگ (TVO) بیان شده است، و در انرژی 1019 گیگا ولت، فعل و انفعال گرانشی نیز به برهمکنش های TVO می پیوندد و یک مجموعه سوخت را "تشکیل" می کند (نظریه همه آنچه هست).

هیچ شتاب‌دهنده‌ای وجود ندارد که بتوان با استفاده از آن چنین انرژی‌هایی را به دست آورد و این نظریه‌ها را آزمایش کرد و به همین دلیل به جهان روی می‌آورند تا محدودیت‌های احتمالی را برای تعداد زیادی ذرات بنیادی در آن بیابند. در طول سی سال گذشته، ارتباط نزدیکی بین فیزیک ذرات و کیهان‌شناسی وجود داشته است. کل داده های اخترفیزیکی را می توان به عنوان "مواد آزمایشی" انباشته شده در نتیجه کار کیهان در نظر گرفت - یک شتاب دهنده ذرات غول پیکر. ما فقط می‌توانیم با پیامدهای غیرمستقیم فرآیندهایی که روی داده‌اند و در حال رخ دادن هستند، با نتیجه تأثیر آنها بر تکامل ماده در کل کیهان مقابله کنیم.

در بین لپتون ها، الکترون بیشتر شناخته شده است، احتمالاً از ذرات دیگر تشکیل نشده است، یعنی ابتدایی است. لپتون دیگر نوترینوها هستند. این لپتون فراوان ترین و در عین حال گریزان ترین لپتون در جهان است. نوترینوها در فعل و انفعالات قوی یا الکترومغناطیسی دخیل نیستند. پس از پیش‌بینی، نوترینوها تنها 30 سال بعد در شتاب‌دهنده‌ها کشف شدند. سه نوع نوترینو وجود دارد - نوترینوهای الکترونیکی، مویونی و تاو. میون همچنین یک لپتون گسترده در طبیعت است. در سال 1936 در پرتوهای کیهانی کشف شد. این یک ذره ناپایدار است، اما در غیر این صورت مانند یک الکترون به نظر می رسد. در دو میلیونیم ثانیه به یک الکترون و دو نوترینو تجزیه می شود. بیشتر تابش کیهانی پس زمینه از میون ها تشکیل شده است. در اواخر دهه 70. سومین لپتون باردار (به جز الکترون و میون) - لپتون تاو - کشف شد. رفتار آن بسیار شبیه همتایان خود است، اما 3500 برابر سنگین تر از یک الکترون است. هر لپتون همچنین یک پاد ذره دارد، یعنی. 12 نفر از آنها وجود دارد.

هادرون های زیادی وجود دارد، صدها نفر از آنها وجود دارد. بنابراین، اغلب آنها را نه ذرات بنیادی، بلکه از سایرین تشکیل می دهند. آنها دارای بار الکتریکی و خنثی هستند. همه هادرون ها در برهمکنش های قوی، ضعیف و گرانشی شرکت می کنند. از جمله معروف ترین آنها پروتون و نوترون است. بقیه بسیار کم زندگی می کنند، در 10-6 ثانیه به دلیل یک برهمکنش ضعیف یا در 10-23 ثانیه - به دلیل یک تعامل قوی، پوسیده می شوند. هادرون ها بر اساس جرم، بار و اسپین دسته بندی شدند. فرضیه کوارک ها یا ذراتی که هادرون ها را می سازند به این امر کمک کرد.

برای این، کوارک ها می توانند به صورت سه قلو ترکیب شوند، باریون ها را بسازند، یا به صورت جفت: کوارک - آنتی کوارک، مزون ها (ذرات میانی) را بسازند. بار کوارک ها 1/3 یا 2/3 بار الکترون است. سپس، در ترکیب، 0 یا 1 می دهند. همه کوارک ها دارای اسپین برابر با 1/2 هستند، یعنی. آنها فرمیون هستند. آنها معتقدند که با یک تعامل قوی به هم مرتبط هستند، اما در یک تعامل ضعیف نیز شرکت می کنند. ویژگی های تعامل قوی با انواع ("طعم") - "بالا"، "پایین"، "عجیب" مشخص می شود. اما یک برهمکنش ضعیف می تواند "طعم" کوارک را تغییر دهد. به عنوان مثال، هنگامی که یک نوترون واپاشی می کند، یکی از کوارک های "پایین" به "بالا" تبدیل می شود و بار اضافی الکترون در حال ظهور را با خود می برد. بنابراین یک برهمکنش قوی نمی تواند "طعم" را تغییر دهد و بدون تغییر "طعم" کوارک، واپاشی هادرون غیرممکن است.

یک هادرون جدید به نام ذره در شتاب دهنده ها کشف شد (1974). بنابراین، مطابق با نظریه کوارک ها، ویژگی دیگری معرفی شد، چهارمین "طعم"، بنابراین کوارک "جذاب" ظاهر شد.

بنابراین ذره w احتمالاً یک مزون متشکل از یک کوارک c و یک آنتی کوارک c است. اکنون بسیاری از ذرات "جذاب" کشف شده اند و همه آنها سنگین هستند. و در سال 1977، مزون ظاهر شد، و کل داستان تکرار شد، عطر پنجم "شگفت انگیز" نام گرفت. امروزه اتمیسم در حال توسعه است. اکنون اعتقاد بر این است که 12 کوارک وجود دارد - ذرات اساسی و به همان تعداد پادذره.

شش ذره کوارک هایی با نام های عجیب و غریب "بالا"، "پایین"، "طلسم"، "عجیب"، "واقعی"، "شایسته انگیز" هستند. آنها محصول نظریه ای هستند که برای نظم و زیبایی می کوشد و همه چیز به جز «حقیقت» باز است. شش باقیمانده لپتون هستند: یک الکترون، یک میون، یک ذره و نوترینوهای مربوطه (الکترون، میون، نوترینو).

این 12 ذره یا دو ذره از شش ذره در سه نسل دسته بندی می شوند که هر کدام چهار عضو دارد.

در نسل اول - کوارک‌های "بالا" و "پایین"، نوترینوهای الکترونی و الکترونی، در نسل دوم - کوارک‌های "جذاب" و "عجیب"، نوترینوهای میون و میون، در نسل سوم - کوارک‌های "واقعی" و "شایست‌انگیز" و -ذره ای با نوترینوی خودش. تمام مواد معمولی از ذرات نسل اول تشکیل شده اند. به عنوان مثال، یک پروتون از دو کوارک "بالایی" و یکی "پایین"، یک نوترون - از دو "پایین" و یک "بالا" تشکیل شده است. هر اتم از یک هسته سنگین (پروتون‌ها و نوترون‌های متصل به قوی) تشکیل شده است که توسط یک ابر الکترونی احاطه شده است.

علاوه بر این طبقه بندی، می توان ذرات بنیادی واقعی و ریز ذرات واقعی مشروط را تشخیص داد. کارپنکوف اس.خ. مفاهیم اولیه علوم طبیعی. M., 2007.S. 89.

ذرات واقعاً ابتدایی

تا به امروز، از دیدگاه نظری، ذرات واقعاً ابتدایی زیر (در این مرحله از توسعه علم تجزیه ناپذیر در نظر گرفته می شوند) شناخته شده اند: کوارک ها و لپتون ها (این گونه ها متعلق به ذرات ماده هستند)، کوانتوم های میدانی (فوتون ها، بردار) بوزون ها، گلوئون ها) و همچنین ذرات هیگز.

مطابق با چهار نوع برهمکنش بنیادی، به ترتیب چهار نوع ذرات بنیادی وجود دارد: هادرون ها در همه برهمکنش ها شرکت می کنند، لپتون ها شرکت نمی کنند. فقط در یک قوی (و یک نوترینو و در یک الکترومغناطیسی)، یک فوتون که فقط در برهمکنش الکترومغناطیسی شرکت می کند، و یک گراویتون فرضی - حامل برهم کنش گرانشی.

موسیقی: Tacere - A Voice In The Dark (ویرایش رادیویی)

اینم یه جور انتقام از یه سری پست کاملا بیگانه در مورد فوتبال دوست من :)

به طرز متناقضی، برخی از دوستان من نمی دانند LHC، بوزون هیگز تنفسی و مدل استاندارد چیست. من سعی خواهم کرد این را به اختصار به بهترین نحوی که بیش از حد دانشم دارم، خلاصه کنم.

تعاملات اساسی
به طور کلی شناخته شده است که همه مواد از ذرات بنیادی تشکیل شده است. این ذرات از طریق 4 فعل و انفعال اساسی با ماهیت و قدرت متفاوت با یکدیگر تعامل دارند.

بارزترین تعاملات اساسی و ضعیف ترین آنها این است برهم کنش گرانشیبنابراین دشوارترین بررسی تجربی است. کمتر آشکار، اما همچنین گسترده و آشنا است برهمکنش الکترومغناطیسی... مانند نیروی گرانشی، به نسبت r-2 ضعیف می شود، اما قدرت نسبی آن 1036 برابر بیشتر است. دلیل اینکه مطلقاً مسلط نیست این واقعیت است که تقریباً تمام ماده در جهان از نظر الکتریکی خنثی است. هر دوی این فعل و انفعالات در فواصل بی‌نهایت بزرگ عمل می‌کنند، هرچند، شاید به طور ضعیفی ناپدید شوند.

اما علاوه بر اینها، دو فعل و انفعال اساسی دیگر نیز وجود دارد که نقش مهمی در دنیای خرد بازی می کنند که بدون هیچ لذت خاصی نامگذاری شده اند. ضعیفو قوی... برهمکنش ضعیف نقش مهمی در واپاشی بتا رادیواکتیو هسته ها دارد، به ویژه، به لطف آن است که یک نوترون آزاد تجزیه می شود (نیمه عمر 10 دقیقه و 14 ثانیه است که با طول عمر اشتباه نشود) و تنها نامتقارن است. تعامل (فقط با کمک آن می توان بیگانگان را توضیح داد که کجا راست است و کجا چپ :)). برهمکنش های قوی (به ویژه) نوکلئون ها (پروتون ها و نوترون ها) را در هسته کنار هم نگه می دارد.

در حال حاضر، مرسوم است که فعل و انفعالات اساسی را با کمک ذرات خاصی که آنها را حمل می کنند، توصیف کنند - بوزون های گیج.

می توانید به یک تصویر زیبا در مورد موضوع نگاه کنید.

ذرات بنیادی
پس از اینکه تامسون در سال 1897 اولین ذره بنیادی - الکترون را کشف کرد (نظریه جسمی نور قبلا وجود داشت، اما پس از کار انیشتین روی اثر فوتوالکتریک محبوبیت واقعی پیدا کرد)، بیش از 400 ذره بنیادی کشف شد. V سیستم دوره ایبرای حدود 120 عنصر مختلف با فراوانی آنها خواص شیمیاییوجود دارد مبنای مشترک: ساختار الکترونیکی آنها که تابعی از تعداد پروتون ها و نوترون ها است. در این مورد، پیش نیاز مطالعه ساختار الکترونیکی اتم ها، طبقه بندی عناصر بود. خوشبختانه چنین طبقه بندی در فیزیک ذرات نیز امکان پذیر است.

در حال حاضر، دو طبقه بندی اصلی ذرات بنیادی وجود دارد: بر اساس اسپین و ساختار.

چرخشاین خاصیت ذرات است که خود را در تعامل با آنها نشان می دهد میدان مغناطیسی(به ویژه بر اساس تشدید مغناطیسی هسته ای (NMR)، یکی از پیشرفته ترین روش های تجزیه و تحلیل، هم در شیمی و هم در پزشکی است. ذرات با اسپین نیم عدد صحیح (به عنوان مثال، الکترون، نوکلئون ها و نوترینوها) آمار رفتاری متفاوتی دارند (به اصطلاح آمار فرمی دیراک) نسبت به ذرات با یک کل (مثلاً یک فوتون) (آمار بوز-انیشتین) ، پس بر این اساس نامگذاری می شوند فرمیون هاو بوزون ها... گاهی اوقات صفت هایی اضافه می شود: اسکالر، بردار، بوزون تانسور یا اسپینور، فرمیون اسپین بردار. اینها صرفاً برای اندازه چرخش (به ترتیب 0، 1، 2 و 1/2، 3/2) هستند.

از نظر ساختار، ذرات را می توان به کامپوزیت (هادرون) و بدون ساختار تقسیم کرد.

هادرون هاشامل کوارک ها... اکنون دیدگاه عمومی پذیرفته شده این است که هادرون ها را به هیچ وجه نمی توان به کوارک ها تقسیم کرد (این پدیده نامیده می شود. حصر، زیرا نیروی تعامل بین آنها با افزایش فاصله افزایش می یابد (اما این هنوز به طور دقیق ثابت نشده است: او یک میلیون دلار برای اثبات ارائه می دهد - مشکل حل معادلات یانگ میلز). با این حال، وجود آنها بدون شک است: به ویژه، در بمباران هادرون ها با الکترون های پر انرژی، ویژگی های پراکندگی نشان می دهد که چندین به اصطلاح وجود دارد. پارتون ها، پراکندگی بر روی آن به ویژه قوی است. اگر انرژی بیشتری را اعمال کنید، پیوند بین کوارک ها می تواند "شکست" شود، اما انرژی اضافی منجر به تشکیل کوارک های جدید در دو طرف شکست می شود - به اصطلاح. تولد جت های هادرونیک این نظریه که وجود تنها 6 نوع کوارک (d، u، s، c، b، t و آنتی کوارک های آنها را فرض می کند)، وجود همه هادرون های شناخته شده را توضیح می دهد که در دهه 50-60 به وفور توسط آزمایشگران قوی کشف شدند. .

بیشتر هادرون ها از 2 ( مزون ها) یا 3 ( باریون ها) کوارک ها: "رنگ" هادرون باید "بی رنگ" باشد که فقط در این موارد به خوبی توضیح داده شده است. از لحاظ نظری امکان وجود را پیش بینی کرد، هنوز توسط آزمایش تایید نشده است، پنتا کوارک هامتشکل از 5 کوارک و تترکوارک ها(از 4).

خود کوارک‌ها متعلق به ذرات بدون ساختار هستند (اگرچه تلاش‌های ناموفقی برای ساختن نظریه‌هایی انجام می‌شود که در آن از چیزی تشکیل شده باشد که می‌توان آن را نامید. پیش روی" یا " آیکن"). سایر ذرات بدون ساختار بر اساس اسپین خود طبقه بندی می شوند: بوزون های گیج و لپتون هاکه فرمیون هستند.

ماده از هادرون ها و لپتون ها تشکیل شده است، تابش از بوزون های گیج است.

جالب است بدانیم که چندین نظریه ریسمان وجود دارد که همراه با برادیون ها(ذراتی که کندتر از سرعت نور حرکت می کنند) و لوکسون ها(حرکت با آن: فوتون، گلوئون و گراویتون فرضی) معرفی می کند تاکیون هاکه سریعتر از سرعت نور حرکت می کنند و جرم خیالی دارند.

ابرتقارن
"فرمیون ها و بوزون ها" - برخی از فیزیکدانان فکر می کردند - "دو نوع وجود دارد! 2 - این دوفیگا است! و به این نتیجه رسیدند ابر تقارن... به گفته وی، در واقع، همه بوزون ها و فرمیون ها ذرات مشابهی هستند و می توانند به یکدیگر تبدیل شوند (در عمل، این به معنای امکان تبدیل ماده به تشعشع و بالعکس است؛ در اینجا لازم به ذکر است که نابودی بیشترین است. منبع انرژی ممکن قدرتمند در جهان ما، نه مانند مقداری نفت).

در تئوری ابر تقارن، نیاز فوری به تشخیص وجود دارد ذرات فوق شریک... اما مشکل اینجاست: در انرژی‌های معمولی (کم)، ابرتقارن شکسته می‌شود، یعنی هیچ جفت بوزون فرمیونی وجود ندارد که فقط از نظر اسپین متفاوت باشد، اما جرم‌ها و بارهای برابری داشته باشد. این فیزیکدانان فکر کردند: «مشکلی نیست، این بدان معناست که شرکای فوق‌العاده بسیار سنگین هستند.» لازم به ذکر است که در چارچوب نظریه ابرتقارن توضیح ساده ای از وجود ماده تاریک مانند ذرات neutralinoبنابراین یافتن شرکای فوق العاده بسیار جالب است.

یکی از محتمل‌ترین کاندیداها برای تشخیص، شریک فوق‌العاده تی کوارک است: با توجه به جرم بزرگبرعکس، سوپر شریک آن ممکن است سبک وزن باشد و برای مشاهده در LHC در دسترس باشد.

ترکیب تعاملات
با وجود تمام تفاوت‌های بین ذرات و برهم‌کنش‌های آن‌ها، می‌توانید چیزهای مشترک زیادی پیدا کنید: یک مثال معروف، اتحاد الکتریسیته و مغناطیس در الکترومغناطیس توسط ماکسول در سال 1864 است. ایده توصیف تعاملات مختلف با یک معادله کلی پس از ایجاد انیشتین در سال 1916 محبوبیت خاصی پیدا کرد. نظریه نسبیت عامتوصیف جاذبه نظریه میدان یکپارچهکه توصیف همه ذرات بنیادی و برهمکنش‌های آنها را در چارچوب یک رویکرد واحد امکان‌پذیر می‌سازد، تمام موجودات موجود در کیهان را توضیح می‌دهد. پدیده های فیزیکی- به چنین نظریه فرضی نام نیمه شوخی داده شد. تئوری همه چیز". وظایف جدی پیش روی آن قرار می گیرد: نه تنها باید تمام ذرات بنیادی موجود و تعاملات آنها را توضیح و پیش بینی کند، بلکه باید جرم و طول عمر آنها را نیز توضیح دهد.

با این حال، مراحل ساخت آن برای مدت طولانی ناموفق بود: به ویژه، اینشتین تا زمان مرگ خود بر روی ایجاد چنین نظریه ای کار کرد. افسانه ها می گویند که انیشتین در انجام این کار موفق شد و به منظور آزمایش تجربی نتیجه گیری های نظری خود، دولت آمریکا در سال 1943 آزمایش مخفی فیلادلفیا را ترتیب داد که در طی آن ناوشکن الدریج ظاهراً چند صد کیلومتر از راه دور منتقل شد. گفته می شود، سپس انیشتین تمام تحقیقات خود را در این زمینه نابود کرد، زیرا می توان از آنها در سلاح های بسیار مخرب استفاده کرد. بچه های درست کمی در مورد این افسانه شک دارند: بیشتر آزمایش هایی که انجام داده اند ایجاد احتمالیمدل استاندارد، که تنها 3 مورد از 4 تعامل اساسی را ترکیب می کند، پس از مرگ انیشتین تولید شد.

تغییر در زمینه ساخت نظریه میدان یکپارچه تنها پس از کشف تعاملات ضعیف و قوی ترسیم شد. اولین قدم بود نظریه الکتریکی ضعیفتوسط سلام، گلاشو و واینبرگ در سال 1967 بر اساس الکترودینامیک کوانتومی ساخته شد. جایزه نوبلدر سال 1979، یعنی. تقریبا فوری). سپس، در سال 1973، نظریه ای ساخته شد که تعامل قوی را توصیف می کند - کرومودینامیک کوانتومی... بر اساس این دو نظریه، مدل استاندارد، که تمام پیش بینی های آن تایید شد، به جز مواردی که هنوز کشف نشده اند بوزون هیگز.

برهم کنش های قوی و کرومودینامیک کوانتومی
توانایی کوارک برای شرکت در فعل و انفعالات قوی آن نامیده می شود رنگ... در مجموع 3 رنگ کوارکی به نام های قرمز، سبز و آبی وجود دارد. کوانتوم میدان در کرومودینامیک کوانتومی است گلوئون، ذره ای شبیه فوتون که آن هم بدون بار، جرم و پادذره است، درست مثل بقیه بوزون های گیج که دارای اسپین واحد هستند. با این حال، یک برهمکنش قوی بسیار پیچیده تر از یک الکترومغناطیسی است: گلوئون خود حامل رنگ است و بنابراین می تواند برهمکنش های قوی با گلوئون های دیگر را تجربه کند. علاوه بر این، از آنجایی که گلوئون حامل رنگ است، نه یک، بلکه 8 نوع گلوئون وجود دارد. گلوئون ها مانند کوارک ها به عنوان پارتون در پراکندگی الکترون ها توسط نوکلئون ها مشاهده شدند.

مدل استاندارد
مدل استاندارد تمام خواص ماده را از بین نمی برد. برای این کار به 19 پارامتر نیاز دارد که 17 مورد آن قبلاً به صورت تجربی اندازه گیری شده است: جرم 3 نوع لپتون و 6 کوارک. 4 پارامتر مربوط به ماتریس Kabibbo-Kobayashi-Maskawaتشریح احتمالات پوسیدگی ضعیفی که "طعم" کوارک ها را تغییر می دهد. 3 ثابت مرتبط با نیروهای فعل و انفعالات اساسی؛ یک پارامتر دیگر از تعامل قوی؛ و در نهایت، دو پارامتر، که هنوز به صورت تجربی تعیین نشده اند، مرتبط با برهمکنش بوزون هیگز با ماده، و بوزون های هیگز با یکدیگر هستند.

مدل استاندارد یکی از واضح‌ترین و دقیق‌ترین تئوری‌ها در فیزیک است: همه پیش‌بینی‌های آن، به جز بوزون هیگز، به‌طور تجربی، گاهی با دقت شگفت‌انگیزی تأیید شده‌اند. یکی از بدنام ترین موفقیت های مدل استاندارد، پیش بینی جرم بوزون های گیج W و Z بود که مسئول اندرکنش ضعیف هستند.

البته، مدل استاندارد نمی تواند ادعا کند که نظریه میدان یکپارچه است، زیرا شامل نظریه گرانش نمی شود (و چشم اندازهای ادغام آن بسیار مبهم به نظر می رسد)، قادر به توضیح وجود سه نسل از ذرات، بین که فقط از نظر جرم با هم تفاوت دارند:

	نسل اول	نسل دوم	نسل سوم
لپتون (شارژ -1)	الکترون 5.11x10 -4 GeV	میون 0.106 گیگا ولت	ذره تاو 1.777 گیگا ولت
نوترینو (شارژ 0)	نوترینوی الکترونیکی (0-0.13) x10-9 GeV	نوترینوی مویونی (0.009-0.13) x10 -9 GeV	نوترینو تاو (0.04-0.14) x10 -9 GeV
کوارک نوع D (شارژ 1/3-)	د کوارک 0.005 گیگا ولت	s کوارک 0.1 گیگا ولت	ب کوارک 4.2 گیگا ولت
کوارک نوع U (شارژ 2/3)	تو کوارک 0.002 گیگا ولت	سی کوارک 1.3 گیگا ولت	تی کوارک 173 گیگا ولت

فرض بر این است که وجود ذرات بسیار سنگین نسل 4 امکان پذیر است، اما هنوز به صورت آزمایشی شناسایی نشده اند.

در چارچوب مدل استاندارد، توصیف تعاملات اساسی از نظر تئوری گروه به طرز شگفت آوری راحت است:

• این گروه برای توصیف برهمکنش الکترومغناطیسی استفاده می شود U (1)(این فقط یک گروه ضرب است اعداد مختلطمدول برابر 1)؛
• برای توصیف گروه ضعیف SU (2)(گروه ضربی ماتریس های واحد 2x2 ویژه، یعنی ماتریس های واحد با تعیین کننده 1: تعداد مولدهای چنین گروهی 3 است (به آنها می گویند. ماتریس های پائولی) ، بنابراین ناقلان برهمکنش ضعیف نیز 3 هستند).
• برای توصیف گروه قوی SU (3)(مشابه SU (2)، فقط ژنراتورهای 3x3: 8 (نامیده می شود ماتریس های ژل مان) و از این رو 8 گلوون).

به طور کلی، دستگاه به خوبی توسعه یافته گروه های دروغ، که این گروه ها به آنها تعلق دارند (U (1) به طور کلی ساده ترین گروه Lie است)، توصیف مختصر و راحت همه پدیده ها به جز گرانش را ممکن می کند. به همین دلیل است که تلاش برای ایجاد یک نظریه میدان یکپارچه بر اساس دستگاه گروه های دروغ متوقف نمی شود. در مورد یکی از تلاش های اخیر کمی بعد.

بوزون هیگز چیست؟
در چارچوب مدل استاندارد، نیاز به بوزون هیگز وجود دارد. این ذره با اسپین صفر مسئول جرم ذرات بنیادی است، اما آنقدر گریزان است که حتی مطمئن نیست که فقط یک ذره وجود دارد. برای تشخیص (یا عدم شناسایی) آن ساخته شد برخورد دهنده هادرون بزرگ LHC.

بوزون هیگز به ذرات جرم می بخشد به طوری که حامل برهم کنش الکترومغناطیسی، فوتون، بدون جرم باقی می ماند و می تواند در هر فاصله ای حرکت کند، در حالی که برهمکنش ضعیف با استفاده از ذرات عظیم منتقل می شود، که شعاع این برهمکنش را به مقیاس های زیر هسته ای محدود می کند. بنابراین، با کمک این ذره، شکست تقارن الکتروضعیف محقق می شود که باعث می شود برهمکنش های الکترومغناطیسی و ضعیف بسیار متفاوت از یکدیگر باشند.

تصویر متعارف (مقیاس رعایت نشده است، عمق حدود 100 متر است و طول تونل 26.7 کیلومتر است):

برخورد دهندهاین یک شتاب دهنده (در مورد LHC، یک حلقوی) است که در آن دو پرتو از ذرات بنیادی با هم برخورد می کنند. LHC از سال 2001 در تونلی در مرز فرانسه و سوئیس، جایی که برخورد دهنده الکترون-پوزیترون LEP در آن قرار داشت، در دست ساخت است. LHC دارای 4 آشکارساز بزرگ است:

میزان داده ای که برخورد دهنده تولید خواهد کرد با این واقعیت نشان می دهد که، علیرغم اجرای سخت افزار فیلتر سه سطحی رویدادهای "غیر جالب"، LHC به طور متوسط ​​500 مگابایت داده در ثانیه تولید می کند.

تصاویر زیبا از برخورد دهنده: یک، دو، سه، چهار; با کلی عکس زیبا

LHC تا سال 2020 کار خواهد کرد و مواد آزمایشی را جمع آوری می کند. اما این امید وجود دارد که اولین نتایج قابل توجه تا پایان سال آینده ظاهر شود. بدون شک فنی و تجربه علمی، که در زمان ایجاد به دست آمده و در هنگام استفاده از آن به دست خواهد آمد، پخش خواهد شد نقش بزرگدر ساخت پیش بینی شده برخورد دهنده هادرون بسیار بزرگ (VLHC) در اواسط قرن بیست و یکم.

احتمالا در LHC را می توان یافت تک قطبی های مغناطیسی... این نام کلی برای ذرات فرضی با بار مغناطیسی غیر صفر است. حتی دیراک پتانسیل وجود آنها را پیش بینی کرد.

جدول مقایسه ای انرژی ها
برای ارزیابی مقیاس انرژی ها و اکتشافات احتمالی، ارزش نگاه کردن به جدولی را دارد که جرم برخی از ذرات بنیادی، برخی از انرژی های مشخصه و انرژی برخورد دهنده ها را فهرست می کند (من عمدتاً کل انرژی پرتوهای در حال برخورد را ارائه می دهم: لازم به ذکر است که برای مشاهده ذره ای با جرم E، به طور معمول، باید از انرژی کل پرتوهای 2E استفاده کرد).

به عنوان واحد انرژی در اتمی و فیزیک کوانتومهمه جا الکترون ولت(eV) به جای ژول. 1 eV ~ 1.6021765x10-19 J. جرم ذرات نیز با استفاده از معادله انیشتین E = mc 2 در eV اندازه گیری می شود.

انرژی
511 کو	الکترون
1.9 مگا ولت	تو کوارک
4.4 مگا ولت	د کوارک
87 مگا ولت	s کوارک
106 مگا ولت	میون
938.3 مگا ولت	پروتون
939.6 مگا ولت	نوترون
1.32 گیگا ولت	سی کوارک
1.78 گیگا ولت	ذره تاو
4.24 گیگا ولت	ب کوارک
6 گیگا ولت	بزرگترین برخورد دهنده روسی
45 گیگا ولت	LEP، 1989
80.4 گیگا ولت	W-بوزون
91.2 گیگا ولت	بوزون Z
~ 100 گیگا ولت	یکسان سازی ضعیف الکتریکی
100-1000 گیگا ولت	ذرات فوق شریک (؟)
117-251 GeV	بوزون هیگز (؟)، محتمل ترین فاصله
172.7 گیگا ولت	تی کوارک
189 گیگا ولت	LEP، 1998
200 گیگا ولت	LEP، 1999
209 گیگا ولت	LEP، 2000، قبل از خاموش شدن
250-650 GeV	بوزون هیگز (؟)، "نوع سنگین"
650-1000 GeV	بوزون هیگز (؟)، "نوع بسیار سنگین"
900 گیگا ولت	LHC، کمیسیون اجرا، تابستان 2008
980 گیگا ولت	Tevatron Peak Power
7 تی وی	LHC، اواخر 2008
14 تی وی	LHC، انرژی طراحی
~ 1000 TeV	پرتوهای کیهانی پر انرژی
6.24x10 9 GeV	1 ژول
6x10 10GeV	حد گریزن-زاتسپین-کوزمین، حد انرژی نظری برای پرتوهای کیهانی
~ 10 14 -10 16 GeV	"یکپارچگی بزرگ" تعامل الکتریکی ضعیف و قوی (؟)
~ 10 19 GeV	انرژی پلانک، اتحاد فرضی همه تعاملات (؟)
3x10 29 GeV	تولید سالیانه برق روی زمین

خطرات مرتبط با شروع / عدم شروع LHC
نگرانی های اصلی در مورد پرتاب LHC به دو بخش تقسیم می شود:

1. تشکیل میکروسکوپی پایدار سیاه چالهکه زمین را می بلعد (تصویر زیبای سیاهچاله)
برخی از نظریه ها احتمال تشکیل سیاهچاله های میکروسکوپی را در آزمایشات LHC پیش بینی می کنند. سیاهچاله جسمی با گرانش فوق العاده قوی است که حتی نور را از خود خارج نمی کند. اما همه چیز آنقدر کشنده نیست، زیرا چنین پدیده ای وجود دارد تشعشعات هاوکینگ... تشعشعات هاوکینگ نتیجه این واقعیت است که گرانش یک سیاهچاله منجر به تشکیل جفت‌های مجازی، بلکه واقعی نیز می‌شود که ممکن است برخی از آنها در بالای افق رویداد ظاهر شوند. چنین ذره ای سیاهچاله را ترک می کند و بخشی از انرژی و جرم خود را با خود حمل می کند. بدیهی است که برای سیاهچاله های میکروسکوپی، احتمال وقوع چنین رویدادی بسیار بیشتر است و بنابراین، به گفته کارشناسان سرن، حتی اگر سیاهچاله ها تشکیل شوند، بلافاصله تبخیر می شوند. اما تشکیل سیاهچاله های میکروسکوپی نیز امکان پذیر است که کاملاً پایدار خواهند بود و از طریق تشعشعات هاوکینگ تبخیر نمی شوند. در این صورت، چند سال دیگر کل زمین بلعیده می شود :)

2. آموزش و پرورش موضوع عجیب
امکان تحصیل "استراپلک"(strangelet) - حالت فرضی ماده، متشکل از تعداد تقریباً مساوی d-، u- و s-کوارک. هنگامی که چنین ماده ای با یک ماده معمولی تعامل می کند، یک واکنش زنجیره ای باید با آزاد شدن انرژی و تبدیل همه مواد به "ماده عجیب" رخ دهد. بقای انسان پس از چنین رویدادی بعید است :)

اگر این سناریوها محقق شوند (رویای نهایی بندر رودریگز)، مناسب است LHC را آخرین (آخرین) برخورد دهنده هادرون بنامیم.

در ارتباط با چنین نگرانی هایی، چندین گروه تحقیقاتی تشکیل شد که سعی کردند احتمال یک نتیجه غم انگیز را ارزیابی کنند. استدلال اصلی طرفداران ایمنی برخورددهنده این است که "LHC کاری را انجام نخواهد داد که طبیعت میلیون ها بار قبلا انجام نداده است." این بدان معناست که ذرات پرتوهای کیهانی با انرژی بسیار بالاتر از آنچه در LHC در دسترس است، به طور دوره‌ای روی زمین می‌افتند. اما مخالفان خاطرنشان می کنند که حتی اگر سیاهچاله های میکروسکوپی در طول چنین برخوردهایی تشکیل شده باشند، آنها با سرعت کمی کمتر از سرعت نور در زمین به پرواز درآمدند، که البته نمی توان در مورد میدان مغناطیسی بسته یک برخورد دهنده گفت. ، که چنین سیاهچاله ای است، به احتمال زیاد، فقط آزاد نخواهد شد.

تخمین رسمی احتمال وقوع چنین رویدادهایی که توسط متخصصان سرن انجام شده است، 1 / ​​50,000,000 (1 در 50 میلیون) است. با این حال، با احتساب تعداد قربانیان احتمالی (6.7 میلیارد)، انتظار حدود 130 نفر است که البته بسیار زیاد است.

اما اسکات آرونسون، متخصص محاسبات کوانتومی معروف، عموماً معتقد است که LHC باید در اسرع وقت راه اندازی شود، زیرا ما نمی توانیم این احتمال را رد کنیم که در سال آیندهبیگانگان وارد خواهند شد و با دیدن اینکه ما هنوز بوزون هیگز را کشف نکرده ایم، ما را وحشی کامل در نظر می گیرند و ما را به بردگی می گیرند :)

تخمین تعداد تمدن های فرازمینی بر اساس سناریوی فاجعه بار مطالعه بوزون هیگز
در حال حاضر درخشش غیرعادی بزرگی از شوخ طبعی در ارتباط با این رویداد وجود دارد. با این حال، برای مثال، در مورد این واقعیت که هر تمدن توسعه یافته در تلاش برای بررسی بوزون هیگز به سیاهچاله تبدیل می شود، طنز سیاه غالب است. منم سعی میکنم :)

این دیدگاه بسیار جالب تر است زیرا ما سیگنال های تمدن های فرازمینی را مشاهده نمی کنیم، به خصوص از تمدن هایی که در مرکز کهکشان ما قرار دارند. در اینجا شایان ذکر است که ستارگان مرکز کهکشانی خیلی زودتر شکل گرفته اند. منظومه شمسیو در نتیجه تمدن های آنجا باید بسیار قدیمی تر و توسعه یافته تر از تمدن ما باشند. اما ما در مرکز کهکشان سیاهچاله ای عظیم الجثه قوس A * با جرم 3.7 میلیون خورشیدی را مشاهده می کنیم.

ما فرض می کنیم که هر تمدنی قبل از کشف رادیو ایجاد می شود و بعد از حدود 100 سال بوزون هیگز را کشف می کند که مستلزم تشکیل یک فروپاشی و مرگ تمدن و همچنین این واقعیت است که یک سیاهچاله در مرکز کهکشان از چنین تمدن های پیشرفته ای شکل گرفته است.

با توجه به اینکه حدود 200 میلیارد ستاره در کهکشان ما وجود دارد و حدود 90 درصد آنها در مرکز قرار دارند، می توان فرض کرد که احتمال ظهور یک تمدن در یک منظومه ستاره ای برابر با 1 در 50000 است. ما یک فرض قابل قبول داریم که در حال حاضر حیات هوشمند در یک کمربند باریک از کهکشان به عرض حدود 500 پارسک (به ترتیب مثبت یا منفی 100 میلیون سال از عمر منظومه سیاره ای)، 300 پارسک ارتفاع (ضخامت کهکشان) وجود دارد. در منطقه ما)، و شعاع 8.5 کیلوپارسک.

بر اساس ارزیابی احتمال مناسب بودن منظومه ستاره ای برای توسعه حیات هوشمند (نگاه کنید به بالا، 2x10-5)، احتمال اینکه تمدن در حال حاضر در سطح رادیویی (10-6) است و چگالی ستاره های این کمربند (تقریباً 0.1 pc-3) ما دریافتیم که در حال حاضر در کهکشان ما حدود 20 هزار وجود دارد. سیستم های ستاره ایکه در آن زندگی وجود دارد و تقریباً مطمئناً هیچ سیستم واحدی آماده تماس با ما نیست. افسوس که طبق این محاسبات ما در کهکشان تنها هستیم. و کسی نیست که به ما هشدار دهد :)

با استفاده از این روش، می توان در فرمول دریک حاصل ضرب پنج جمله میانی (تقریباً 2×10-5، دریک 10-4) و L ~ 100 سال (دریک بسیار خوشبین تر است، 10000 سال) بدست آورد. خیلی خوب ... و تصادفی بسیار ترسناک. مقیاس کارداشف نیز این ارزیابی را رد نمی کند: یک تمدن نوع III به خوبی می تواند در هسته کهکشان بوجود آمده باشد، اما ما آثاری از حضور یا فعالیت آن را مشاهده نمی کنیم.

پس چرا LHC مورد نیاز است؟

• جستجو برای بوزون هیگز مسئول جرم ذرات، آخرین تایید تجربی مدل استاندارد.


• جستجو برای ذرات خارج از مدل استاندارد: پنتا کوارک ها و تتراکوارک ها، ذرات نسل چهارم، تک قطبی های مغناطیسی.


• یافتن ذرات پیش بینی شده توسط نظریه لیسی


• جستجو برای ابر تقارن، ذرات ابر شریک، به ویژه ابر شریک تی کوارک.


• تحقیق در مورد گرانش کوانتومی؛


• مطالعه سیاهچاله های میکروسکوپی و تشعشعات هاوکینگ.


• همه مردم را بکش (فرضیه).

حتی اولین نکته برای صرف 5-10 میلیارد دلار برای ساخت و انجام آزمایشات در LHC کافی بود. اما یک چیز غیرقابل انکار باقی می ماند: ما حتی نمی توانیم تصور کنیم که این مگاکلایدر چقدر دانش ما را از جهان گسترش می دهد. در اینجا برخی از پیشرفت‌های نظری فرضی که توسط آزمایش‌ها در LHC به دست آمده است آورده شده است:

• تبدیل ماده به انرژی (نابودی)، موتورهای فوتون، سفر بین ستاره ای


• کنترل گرانش، به ویژه ضد جاذبه


• تحقیقات احتمالی در نظریه M، مانند جهان های موازی

آینده خواهد گفت.

افزونه شماره 1:اگر به این موضوع علاقه مند هستید، توصیه می کنم با مقاله فوق العاده ایگور ایوانف در "دور دنیا" آشنا شوید.

ادغام تعاملات

یکی از ویژگی های مهمفیزیک ذرات در مرحله اولیه یک تمایز بین وجود داشت انواع متفاوتفعل و انفعالات. مشخص شد که تنها چهار نوع برهمکنش اساسی وجود دارد: قوی، الکترومغناطیسی، ضعیف و گرانشی.
برهم کنش الکترومغناطیسی و برهمکنش قوی را می توان با استفاده از تبادل کوانتوم های میدان های مربوطه - فوتون ها (γ-quanta) و گلوئون ها توصیف کرد. فوتون ها و گلوئون ها بوزون های اندازه گیری میدان های الکترومغناطیسی و قوی هستند.
این فرضیه که برهمکنش ضعیف نیز به دلیل تبادل مقداری ذره باردار است توسط یوکاوا در دهه سی مطرح شد. این ایده در چارچوب یک تئوری یکپارچه که برهمکنش‌های الکترومغناطیسی و ضعیف را به هم مرتبط می‌کند، که در آثار S. Weinberg، A. Salam و S. Glashow توسعه یافته است، تکمیل شد.
در این نظریه که "مدل استاندارد" نامیده می شود، وجود بوزون های باردار سنگین W + و W - و یک بوزون خنثی Z 0 با اسپین 1 پیش بینی شده است که تبادل آنها باعث برهمکنش ضعیف می شود. یک میدان برداری بدون جرم، که با میدان الکترومغناطیسی مشخص می شود، در تئوری نیز به وجود می آید.
V مدل استاندارداعتقاد بر این است که ذرات در نتیجه مکانیسم هیگز جرم می گیرند. میدان هیگز تمام فضا را پر می کند و همه ذرات در تعامل با آن جرم پیدا می کنند. کوانتوم های میدان هیگز بوزون هیگز هستند. در نظر گرفته می شود که بوزون هیگز دارای اسپین صفر است. طبق برآوردهای تجربی، جرم آن باید بیش از 5 گیگا ولت باشد.
در این مدل، فروپاشی نوترون

n → p + e - + e

برنج. 17 نمودار واپاشی دی کوارک

در سطح کوارک به نظر می رسد که در دو مرحله انجام می شود (شکل 17). در مرحله اول، کوارک d به کوارک u و بوزون W تبدیل می شود

در مورد دوم، بوزون W - تجزیه می شود و به یک الکترون و یک پادنوترینو تبدیل می شود

W - → e - + e.

بر اساس قیاس با برهمکنش قوی، اعضای یک خانواده تولید شده توسط بوزون W - یا W + - به دوتایی ایزوسپین چپ دست ضعیف ترکیب می شوند.

با ایزوسپین ضعیف T = 1/2، که مقادیر T 3 = +1/2 (e, u) و T 3 = -1/2 (e, d) اختصاص داده شده است. در آنتی فرمیون ها، برآمدگی های ایزوسپین ضعیف دارای علائم مخالف است.
فعل و انفعالات ضعیف با تغییر در شارژ (جریان های باردار) توسط ایالات توضیح داده شده است و ... آنها با انتشار یا جذب بوزون های W - یا W + - رخ می دهند. فرآیندهای ضعیف شامل بوزون Z 0 فرآیندهایی با جریان ضعیف خنثی نامیده می شوند.
بنابراین، در مدل Weinberg - Salam، بوزون های W-، W +، Z 0 و یک کوانتوم γ کوانتوم های یک میدان الکتریکی ضعیف هستند. مدل استاندارد با ترکیب برهمکنش های الکترومغناطیسی و ضعیف، رابطه بین ثابت های برهمکنش های الکترومغناطیسی و ضعیف و رابطه بین جرم های بوزون های باردار و خنثی را پیش بینی می کند:

, ,

جایی که θ W زاویه واینبرگ است. مقدار به دست آمده از آزمایش sin 2 θ W = 0.23 است.
کشف جریان های خنثی ضعیف در سال 1973 تأیید واضحی بر صحت مدل استاندارد بود که در آن مقادیر توده های بوزون های میانی پیش بینی می شد -
m (Z 0) = ~ 90 GeV; m (W ±) = ~ 80 GeV
تنها راه عملاً واقعی برای به دست آوردن ذرات این جرم، برخورد پرتوهای پروتون و ضد پروتون بود. این آزمایش در سال 1983 در CERN pp-collider انجام شد

p + → W ± + X،

p + → Z 0 + X،

که در آن X تمام ذرات دیگری است که در نتیجه برخورد یک پروتون و یک پادپروتون تشکیل شده اند. بوزون ها با پوسیدگی شناسایی شدند

W + (-) e + (-) + e (e)،

لپتون های باردار با گشتاور عرضی بالا که در نتیجه واکنش مشاهده شدند به عنوان شواهدی از تشکیل بوزون ها عمل کردند. مقادیر تجربی به‌دست‌آمده از توده‌های بوزون (mexp (W ±) = (2±81) GeV، mexp (Z 0) = (2±93) GeV) مطابقت بسیار خوبی با تئوری استاندارد داشتند. بین کشف جریان های خنثی و مشاهده بوزون های برداری 10 سال طول کشید.
در مدل استاندارد، لپتون ها و کوارک ها به دوتایی چپ دست - نسل ها گروه بندی می شوند.

نسل 1	نسل 2	نسل 3

جریان های باردار در فرآیندهای لپتون هنگام حرکت در امتداد ستون ها به دست می آیند. ثابت های این فرآیندهای ضعیف یکسان هستند یا هنوز قابل تشخیص نیستند. جریان های باردار در فرآیندهای با کوارک ها نه تنها هنگام حرکت در امتداد ستون ها، بلکه بین نسل ها نیز امکان پذیر است، یعنی. برهم کنش ضعیف کوارک ها را مخلوط می کند. اما ثابت های ضعیف فرآیندهای کوارکی

d → u + W - و s → u + W -

با یکدیگر و با ثابت های فرآیندهای لپتون تفاوت دارند. به نظر می رسید که جهانی بودن تعامل ضعیف نقض می شود. با این حال، مشخص شد که این ثابت ها می توانند با یکدیگر مرتبط باشند. این کار قبلاً در سال 1963 توسط N. Cabibbo انجام شد، که پارامتر - زاویه Cabibbo (شکل 18) را برای اتصال ثابت های واپاشی β و فروپاشی ذرات عجیب و غریب معرفی کرد. جهانی بودن تعامل ضعیف حفظ شده است. اما کشف جریان‌های ضعیف خنثی مشکل جدیدی ایجاد کرد - نظریه Cabibbo در این مورد وجود جریان‌های خنثی را با تغییر در غریبگی پیش‌بینی می‌کند، که به شدت با آزمایش در تضاد است. برای رهایی از این دشواری، گلاشو، ایلیوپولوس و مایانی کوارک چهارم را با باری مشابه کوارک u معرفی کردند. برای طرح چهار کوارک، ستون های کوارک ها به صورت زیر نوشته می شود. زمانی که Cabibo پارامترسازی مدل کوارک را پیشنهاد کرد، هنوز این پارامتر وجود نداشت.)

.

پیش‌بینی می‌شود که کانال‌های اصلی واپاشی کوارک‌های جذاب کانال‌های c → seν e و c → sμν μ هستند، احتمال این واپاشی متناسب با cos 2 θc و کانال‌های c → deν e و c → dμν است. μ سرکوب می شوند که احتمال آن متناسب با sin 2 θ c است. در سال 1973، M. Kobayashi و T. Maskawa رویکرد Cabibbo را به طرح شش کوارکی تعمیم دادند. این مدلی است که از نظر تعداد کوارک ها حداقل است، که در آن، همراه با سه زاویه اختلاط θ12، θ23، θ13، می توان فاز δ13 را معرفی کرد، که نقض عدم تغییر CP را توصیف می کند. اختلاط سه نسل کوارک توسط ماتریس Kabibbo-Kobayashi-Maskawa توصیف شده است.

که در آن c ij = cosθ ij، s ij = sinθ ij عناصر ماتریس ترکیبی از سینوس ها و کسینوس های زاویه چرخش هستند. به عنوان مثال، اولین عنصر محصول cosθ 12 × cosθ 13 است. برآوردهای مدرنزاویه:
θ 12 = ~ 13 0، θ 23 = ~ 2 0، θ 13 = ~ 0.1 0. از آنجایی که cosθ 13 تنها در رقم ششم اعشار با وحدت متفاوت است، نتایج به‌دست‌آمده در طرح چهار کوارکی حفظ می‌شوند.
برای d "، s"، b "-کوارک هایی که به این ترتیب تعیین می شوند، ثابت اندرکنش ضعیف برای خانواده های لپتون و کوارک یکسان است.
اختلاط نسل‌های کوارک‌ها علاقه به مسئله نوسانات و اختلاط نوترینوها را برانگیخته است. آیا ترکیبی از نسل های لپتون وجود دارد؟
تا اینجا در مورد یکسان سازی برهمکنش های الکترومغناطیسی و ضعیف صحبت کردیم. فیزیکدانان با شروع با چهار برهمکنش و ایجاد نظریه ای در مورد برهمکنش های الکتروضعیف، تعداد آنها را به سه کاهش دادند. آیا می توانید گام بعدی را با ترکیب نیرو ضعیف و قوی بردارید؟ فعل و انفعالات قوی بین کوارک ها و برهمکنش های ضعیف بین لپتون ها و کوارک ها ظاهر می شود. در نتیجه برهمکنش های ضعیف، یک نوع کوارک می تواند به نوع دیگری تبدیل شود

d → u + e - + e.

برهمکنش های ضعیف منجر به فروپاشی لپتون های μ و τ می شود. اینگونه است که یک میون تجزیه می شود و به یک الکترون و یک نوترینو و یک پاد نوترینو تبدیل می شود.

μ - → ν μ + e - + e.

مدل هایی که یکسان سازی فعل و انفعالات ضعیف و قوی را در نظر می گیرند، وحدت بزرگ نامیده می شوند. وحدت بزرگ بر اساس این فرضیه است که برهمکنش های قوی و ضعیف الکتریسیته اجزای کم انرژی اندرکنش گیج یکسانی هستند که توسط یک ثابت منفرد توصیف می شوند. ثابت های برهمکنش مشاهده شده تجربی در انرژی ~ 1 GeV بسیار متفاوت است و به فاصله بستگی دارد. فرض بر این است که در فاصله ~ 10 -28 سانتی متر ثابت ها یکسان می شوند. مطابق با ساده ترین مدلیکپارچگی بزرگ، برهمکنش های قوی و ضعیف در انرژی های ~ 1015 GeV ترکیب می شوند. چنین انرژی هایی در شرایط آزمایشگاهی به سختی قابل دستیابی هستند. با این حال، پدیده ای وجود دارد که از چنین نظریه واحدی ناشی می شود. در این مدل، پروتون باید یک ذره ناپایدار باشد، اما با زمان عالیزندگی اگر برهمکنش‌های قوی و ضعیف الکتریسیته مظاهر متفاوتی از یک برهمکنش کلی‌تر باشند، کوارک‌ها و لپتون‌ها باید اجزای یک چندگانه باشند. در نتیجه، فرآیندهایی امکان پذیر است که در آن کوارک ها می توانند به لپتون تبدیل شوند. این بدان معنی است که یک پروتون متشکل از کوارک ها نمی تواند کاملاً پایدار باشد، اما می تواند تجزیه شود و به ذرات سبک تر تبدیل شود. به عنوان مثال، پوسیدگی ممکن است

p → π 0 + e +،
p → π + +.

بر اساس برآوردهای موجود در چارچوب تئوری یکپارچه برهمکنش های قوی و ضعیف، طول عمر پروتون ~ 10 32 سال است. در حال حاضر، آزمایش های فشرده ای برای جستجوی ناپایداری پروتون در حال انجام است.
نظریه های ابر متقارن نامزد دیگری برای نظریه یکپارچه هستند. در این نظریه ها، فرمیون ها دارای شریک های فوق العاده هستند که باید بوزون باشند و بوزون ها دارای شریک های فوق العاده هستند که باید فرمیون ها باشند. در نظریه های ابر متقارن، وجود عملگرهایی فرض می شود که بوزون ها | b> را به فرمیون ها تبدیل می کنند | f>

عملگرهای مزدوج فرمیون ها را به بوزون تبدیل می کنند. اپراتور تمام اعداد کوانتومی ذره را بدون تغییر می گذارد، به جز اسپین. تعدادی از آزمایش ها با هدف یافتن شرکای فوق متقارن در برخورددهنده های موجود و در حال ساخت انجام شده است.
حامل برهمکنش گرانشی در نظریه کوانتومی گرانش، گراویتون است - ذره ای بدون جرم با اسپین 2. برهم کنش گرانشی جهانی است. همه ذرات در آن شرکت می کنند.