Субатомные частицы. Структурные единицы материи

Фундаментальные взаимодействия

Гравитационное,
электромагнитное,
сильное,
слабое

Частицы, участвующие в фундаментальных взаимодействиях

Гравитационное: все частицы, имеющие массу.
Электромагнитное: все частицы,

Фермионы
Частицы со полуцелым спиновым квантовым числом.
Системы фермионов подчиняются статистике Ферми-Дирака и

Адроны.
Барионы (фермионы):
нуклоны (протон, нейтрон), гипероны (Δ, Σ, Ξ, Ω, …).
Мезоны

Столкновение частиц. Нерелятивистские энергии.

p1= p2

При m1= m2 ER= E1 /2

Сохранение импульса системы

Столкновение частиц. Нерелятивистские

Если энергия ER больше массы покоя некоторой частицы, то она может

Примеры: рождения барионов в столкновениях.

p + p → p +

Существуют заряженные и нейтральные адроны.
Адроны характеризуются зарядом и барионным числом.
Антиадроны отличаются

Столкновение частиц. Релятивистские энергии.

Кинетическая энергия движения центра масс:

Странные частицы

С ростом энергии ускорителей в 50-е годы XX века были

Странность (квантовое число) сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но может

Аналогичными свойствами (т.е. сохраняться в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не

Адроны обладают ещё рядом характеристик: векторным изоспином, пространственной четностью и пр.

Адроны

Резонансы

С ростом энергии ускорителей в 60-е годы XX века стали обнаруживаться

Дельта-резонансы

Энергия покоя 1232 МэВ, спиновое число 3/2;
время жизни ~6⋅10−24

Может быть резонансы – возбужденные состояния частиц ???
Но тогда частицы не

Фундаментальные частицы

Лептоны
Кварки
Калибровочные бозоны

Спиновое квантовое число 1/2 (фермионы).
Не участвуют в сильном взаимодействии.

Лептоны

Барионное число, странность,

У каждого лептона существует античастица, которая отличается знаком электрического заряда и

Время жизни мюонов: 2,2 микросекунды

Время жизни тау-лептонов  ~10-13 сек.

Нейтрино

Низкоэффективное взаимодействие с веществом:
нейтрино с энергией порядка 10 МэВ имеют

Нейтринные осцилляции

Если нейтрино имеют ненулевую массу, то различные виды нейтрино с

Аннигиляция

Взаимное уничтожение частицы и её античастицы.
Частный случай аннигиляции: взаимное уничтожение частицы

Все адроны имеют сложную структуру и состоят из кварков, связанных глюонными

Кварки

Кварковая структура протона

Кварки обладают характеристикой состояния, называемой цвет.
Цвет может принимать

В барионах все три кварка имеют разные цвета и суммарный цвет

Спиновое и барионное числа мезонов равны нулю

ϕ-мезон со скрытой странностью,
J/Ψ-мезон со

DS-мезоны, состоящие из странного и очарованного кварков
Например: cs~

D-мезоны — мезоны

Ро-мезоны, нейтральные и заряженные, с энергиями покоя ~775 МэВ имеют тот

Омега-мезоны (нейтральные) с энергией покоя ~782 МэВ являются возбужденными состояниями π0-мезонов

Эта-мезоны - нейтральные частицы.
Энергии покоя:
η-мезона ~548 МэВ, η′-мезона ~958 МэВ.
Их

Хи-мезоны и Пси-мезоны имеют тот же кварковый состав, что и J/Ψ-мезон

Энергетическая схема чармония

Ипсилон-частицы — нейтральные мезоны со скрытой прелестью – системы из b-кварка и

Боттомий

Кварковый состав барионов

Обнаружено большое количество очарованных (шармированных) барионов

Калибровочные бозоны

Переносчики фундаментальных взаимодействий

Гравитационное: гравитон ???
Электромагнитное: фотон
Сильное: глюны
Слабое: промежуточные векторные

Квантовая электродинамика описывает все электромагнитные процессы на базе обмена фотонами электрически

Каждый глюон имеет цвет и антицвет.
Спин, масса и все остальные квантовые

Вид потенциала глюонного поля таков, что кварки не могут вылетать из

В реакциях сильного взаимодействия кварки могут рождаться парами кварк-антикварк.
Кинетическая энергия сталкивающихся

p + p → p + Λ + K+

Столкновение протонов с

Распад J/Ψ-мезона на три пи-мезона (сильное взаимодействие).

Три пары кварк-антикварк рождаются, одна

Распад ϒ-мезона на два прелестных (красивых) В-мезона

Промежуточные векторные бозоны

Кварки участвуют в слабом взаимодействии за счет промежуточных бозонов

Превращение d-кварка в u-кварк посредством слабого взаимодействия

Характерный радиус слабого взаимодействия, переносимого

Бета – минус - процесс

n → p + e− + ν~

Гибель пи-мезонов :

Λ → p + π-

Распад странного бариона (слабое взаимодействие)

Барионное число сохраняется,

K+ → μ+ + νμ

Распад странного мезона на лептоны (слабое взаимодействие)

Странность

Распад ϒ-мезона на два мюона

Схема одной из мод распада бариона

µ

νµ

e−

Распад мюона

W−

Распад тау-лептона

Варианты процесса

В стандартной модели лептоны и кварки группируются в левоспиральные дублеты («поколения»).

Гипотетический вариант рождения бозона Хиггса

Бозон Хиггса

Гипотеза: спонтанный распад бозона Хиггса даёт множество кварков и

Бозон Хиггса

Возможный механизм образования: слияние глюонов достаточно высокой энергии.
Образуется

Каналы распада бозона Хиггса

Обнаружение бозона Хиггса по продуктам распада.
(вероятность процессов падает с убылью