Концепция фундаментальных, неделимых частиц восходит к древние греки (понятие, известное как «атомизм»). В 20-м веке физики начали исследовать процессы на самых маленьких уровнях материи, и среди их самых поразительных современных открытий было количество различных частиц во вселенной. Квантовая физика предсказывает 18 типов элементарных частиц, а 16 уже были экспериментально обнаружены. Физика элементарных частиц стремится найти оставшиеся частицы.
Стандартная модель
Стандартная модель физики элементарных частиц, которая классифицирует элементарные частицы на несколько групп, лежит в основе современной физики. В этой модели три из четыре фундаментальные силы физики описаны, наряду с калибровочными бозонами, частицы, которые опосредуют эти силы. Хотя гравитация технически не включена в Стандартную модель, физики-теоретики работают над расширением модели, чтобы включить и предсказать квантовая теория гравитации.
Если есть что-то, что нравится физикам-частицам, так это разделение частиц на группы. Элементарные частицы - самые маленькие составляющие материи и энергии. Насколько ученые могут сказать, они, кажется, не сделаны из комбинаций каких-либо более мелких частиц.
Разрушение Материи и Сил
Все элементарные частицы в физике классифицируются как фермионы или бозонов. Квантовая физика демонстрирует, что частицы могут иметь собственный ненулевой «спин» или угловой момент, связанные с ними.
Фермион (названный в честь Энрико Ферми) - это частица с полуцелым спином, а бозон (названный в честь Сатьендры Натха Бозе) - это частица с целым числом или целым спином. Эти вращения приводят к различным математическим приложениям в конкретных ситуациях. Простая математика добавления целых и полуцелых показывает следующее:
- Комбинация нечетного числа фермионов приводит к фермиону, потому что общее вращение все равно будет полуцелым значением.
- Объединение четного числа фермионов приводит к бозону, потому что полный спин приводит к целочисленному значению.
Фермионы
Фермионы имеют спин частицы, равный полуцелому значению (-1/2, 1/2, 3/2 и т. Д.). Эти частицы составляют вещество, которое мы наблюдаем в нашей вселенной. Двумя основными составляющими материи являются кварки и лептоны. Обе эти субатомные частицы являются фермионами, поэтому все бозоны созданы из четной комбинации этих частиц.
Кварки - это класс фермионов, которые составляют адроны, такие как протоны и нейтроны. Кварки - это фундаментальные частицы, которые взаимодействуют через все четыре фундаментальные силы физики: гравитацию, электромагнетизм, слабое взаимодействие и сильное взаимодействие. Кварки всегда существуют в комбинации, чтобы сформировать субатомные частицы, известные как адроны. Существует шесть различных типов кварков:
- Нижний Кварк
- Странный Кварк
- Вниз Кварк
- Топ Кварк
- Шарм Кварк
- Up Quark
Лептоны - это тип фундаментальной частицы, которая не испытывает сильного взаимодействия. Существует шесть разновидностей лептонов:
- электрон
- Электрон Нейтрино
- мюонов
- Мюон нейтрино
- Тау
- Тау Нейтрино
Каждый из трех «ароматов» лептона (электрон, мюон и тау) состоит из «слабого дублета», упомянутой частицы вместе с практически безмассовой нейтральной частицей, называемой нейтрино. Таким образом, электронный лептон является слабым дублетом электрона и электрон-нейтрино.
Бозоны
Бозоны имеют спин частицы, равный целому числу (целые числа, такие как 1, 2, 3 и т. Д.). Эти частицы опосредуют фундаментальные силы физики в рамках квантовых теорий поля.
- Фотон
- W Boson
- Z Boson
- Gluon
- Бозон Хиггса
- Гравитон
Композитные частицы
Адроны - это частицы, состоящие из множества связанных кварков, так что их спин является полуцелым значением. Адроны делятся на мезоны (которые являются бозонами) и барионы (которые являются фермионами).
- Зонов
- Барионы
- Нуклоны
- Гипероны: недолговечные частицы, состоящие из странных кварков
Молекулы представляют собой сложные структуры, состоящие из множества атомов, связанных вместе. Основной химический строительный блок вещества, атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны - это нуклоны, тип бариона, которые вместе образуют составную частицу, которая является ядром атома. Изучение того, как атомы связываются вместе, чтобы сформировать различные молекулярные структуры, является основой современного химия.
Классификация частиц
В физике элементарных частиц может быть сложно сохранить все имена прямыми, поэтому полезно подумать о животном мире, где такое структурированное именование может быть более привычным и интуитивно понятным. Люди - это приматы, млекопитающие, а также позвоночные. Точно так же протоны - это нуклоны, барионы, адроны, а также фермионы.
К сожалению, различие заключается в том, что термины звучат похоже друг на друга. Например, путать бозоны и барионы гораздо проще, чем путать приматов и беспозвоночных. Единственный способ по-настоящему разделить эти разные группы частиц - просто внимательно изучить их и попытаться быть осторожным в том, какое имя используется.
Отредактировано Энн Мари Хельменстин, доктор философии