загрузка...
загрузка...
Характеристика роботи

Реферат

Кількість сторінок: 18

Безкоштовна робота

План

1. Фізика елементарних частинок

2. Методи дослідження елементарних частинок

3. Властивості елементарних частинок

4. Класифікація елементарних частинок

5. Види взаємодії елементарних частинок в природі

1. Фізика елементарних частинок (ФЕЧ), часто називається також фізикою високих енергій — розділ фізики, що вивчає структуру і властивості елементарних частинок і їх взаємодії.

Теоретична ФЕЧ.

Основне знаряддя дослідження в теоретичній фізиці елементарних частинок — квантова теорія поля. Тобто будь-яка елементарна частинка — це не «шматочок» якоїсь суцільної матерії, а певне (одночасткове) збудження абстрактного гільбертового простору. Можна сказати, що весь наш світ бачиться у ФЕЧ як вектор в гільбертовому просторі станів, який «обертається» в ньому з часом.

Головним результатом сучасної теоретичної фізики елементарних частинок є Стандартна модель. За останні пару десятків років її прогнози були багато разів перевірені ще раз в експериментах, і в наш час вона — єдина фізична теорія, що адекватно описує будову нашого світу аж до відстаней порядку 10−18м.

Взаємодія частинок у ФЕЧ принципово відрізняється від взаємодії об'єктів в інших областях фізики. Наприклад, в механіці ми вивчаємо рух тіл, які, в принципі, можуть один з одним взаємодіяти. Проте як саме, за рахунок чого така взаємодія відбувається — механіка не вивчає. В протилежність цьому, ФЕЧ приділяє однакову увагу, як самим частинкам, так і процесу взаємодії між ними. Зв'язано це з тим, що у ФЕЧ вдається описати електромагнітну, сильну і слабку взаємодію як обмін віртуальними частинками. Важливим постулатом в такому описі з'явилася вимога симетрії нашого світу щодо калібрувальних перетворень.

Рівноправність частинок і їх взаємодій красивим чином виявляється в теоріях суперсиметрій, в яких постулується існування в нашому світі ще однієї прихованої симетрії: суперсиметрії. Можна сказати, що при перетворенні суперсиметрії частинки перетворюються на взаємодії, а взаємодії — в частинки.

Вже звідси видна виняткова фундаментальність ФЕЧ — в ній робиться спроба зрозуміти багато властивостей нашого світу, які до цього (в інших розділах фізики) приймалися лише як даність.

Експериментальна ФЕЧ

Експериментальна фізика елементарних частинок ділиться на два великі класи: прискорювальну і неприскорювальну.

Прискорювальна ФЕЧ — це розгон довгоживучих елементарних частинок в прискорювачі до високих енергій і зіткнення їх одна з одною або з нерухомою мішенню. В процесі такого зіткнення вдається отримати дуже високу концентрацію енергії в мікроскопічному об'ємі, що призводить до народження нових, зазвичай нестабільних, частинок. Вивчаючи характеристики таких реакцій (кількість народжених частинок того або іншого типу, залежність цієї кількості від енергії, типу, поляризації початкових частинок, від кута вильоту і т.д.), можна відновити внутрішню структуру початкових частинок, їх властивості, те, як вони взаємодіють одна з одною.

Неприскорювальна ФЕЧ — це процес «пасивного спостереження» за нашим світом. В неприскорювальних експериментах постачальником елементарних частинок є Природа, а від дослідника вимагається лише уважно стежити за тим, що відбувається. Типові неприскорювальні експерименти — спостереження за нейтрино в так званих телескопах нейтрино, очікування розпаду протона, безнейтринного подвійного бета-розпаду та інших украй рідкісних подій у великому об'ємі речовини, експерименти з космічним промінням.

Вивчення будови атомів, атомних ядер, процесів у космічному випромінюванні, реакцій на швидких заряджених частинках, які дістають у прискорювачах, дало змогу встановити існування великої кількості частинок, які названо елементарними. До них належать електрони і позитрони, протони і антипротони, нейтрони і антинейтрони, нейтрино і антинейтрино, мезони, гіперони, фотони та ін. Деякі з цих частинок стабільні, тобто самочинно не розпадаються, не перетворюються в інші частинки, тоді як більшість елементарних частинок через певний проміжок часу перетворюється в інші. Назва «елементарні частинки» в буквальному розумінні слова означає найпростіші частинки, які не можна розкласти на складові частини. Насправді це не так.

Поки що можемо дуже мало сказати про будову елементарних частинок, але інтенсивні дослідження в цьому напрямі проводяться в багатьох лабораторіях світу. Добре вивчено явища перетворення одних елементарних частинок в інші і встановлено закономірності цих перетворень. Тому всі частинки, які називають «елементарними», насправді не є елементарними, так само як і атомні ядра, атоми й молекули.

Часто фізику елементарних частинок називають фізикою високих енергій, оскільки для проведення більшості експериментів у цій сфері потрібні частинки високих енергій. Так, якщо при вивченні ядерних реакцій було достатньо енергій бомбардувальних частинок порядку енергії зв’язку нуклонів у ядрі, то для дослідів, пов’язаних з народженням піонів, необхідні протони, прискорені до енергій 300 МеВ, а для експериментів, пов’язаних із народженням протон-антипротонних пар, потрібні частинки з енергією 6 ГеВ.

До застосування потужних прискорювачів заряджених частинок єдиним джерелом частинок з енергією, достатньою для утворення мезонів і гіперонів, було космічне випромінювання.

Космічне випромінювання — потік атомних ядер (в основному протонів), що попадає на Землю із світового простору і утворює в земній атмосфері вторинне випромінювання, в якому виявлено багато елементарних частинок. Відкриття космічного випромінювання пов’язане з проведенням на початку XX ст. дослідів, які вказували на існування слабкої йонізації повітря, що спричиняла розряд електроскопів, екранованих товстим шаром речовини. Дослідження причин цього ефекту привели до відкриття випромінювання неземного походження, яке пізніше назвали космічним. Середня енергія космічних частинок становила близько 10 ГеВ, а енергія окремих частинок досягала 1010 ГеВ. Потік первинного космічного випромінювання на межі атмосфери в період мінімуму сонячної активності становить 7 ∙ 102...104 частинок на квадратний метр за секунду і збільшується в кілька разів із наближенням до максимуму активності. Потік заряджених частинок на рівні моря дорівнює в середньому 1,7 ∙ 102 частинок на квадратний метр за секунду і мало змінюється із сонячною активністю.

Вчені вважають, що головним джерелом космічного випромінювання є так звані пульсари, яких у нашій Галактиці нараховується близько 10 мільйонів. Характерну перевагу важких елементів у складі первинного космічного випромінювання, очевидно, можна пояснити переважним прискоренням важких ядер (Z > 20) у джерелах космічного випромінювання. Поява легких елементів у складі космічного випромінювання спричинена розщепленням важких ядер при взаємодії з ядрами міжзіркового газу.

У 1958 р. під час перших польотів штучних супутників Землі і космічних ракет було виявлено навколоземні радіаційні пояси. Вони становлять дві просторово розділені зони навколо Землі з різко підвищеною концентрацією iонізуючого випромінювання. Існування поясів радіації зумовлене захопленням і утриманням заряджених космічних частинок магнітним полем Землі. Тому утворення поясів радіації має бути характерним для всіх небесних тіл, які мають магнітне поле. При дослідженні космічного випромінювання було зроблено багато принципово важливих відкриттів. Так, 1932 р. К. Андерсон відкрив у космічному випромінюванні позитрон, а 1937 р. К. Андерсон і С. Неддермейєр відкрили μ-мезони і визначили тип їхнього розпаду. В 1947 р. С. Пауелл відкрив μ-мезони. У 1955 р. в космічному випромінюванні було виявлено K-мезони, а також важкі нейтральні частинки з масою, що перевищує масу протона, — гіперони. Дослідження космічного випромінювання привело до необхідності введення квантової характеристики, названої дивністю.