Презентация на тему: Классификация элементарных частиц

Опорный конспект по теме «Элементарные частицы» Авторы: Морозова Н.В., учитель физики МОУ лицея №40 г.Петрозаводска Янюшкина Г.М., к.п.н., доцент кафедры ТФ и МПФ КГПУ 900igr.net

Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части. Адроны имеют сложную внутреннюю структуру, но разделить их на части невозможно. Ряд элементарных частиц являются бесструктурными (фундаментальные) частицами – это частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

С 1932г. Открыто более 400 элементарных частиц. Для классификации используют электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни виды взаимодействия. По величине спина фермионы бозоны

Фермионы – частицы с полуцелым спином: ħ/2, 3/2ħ … (е-, р, n, vе- - электронное нейтрино) Для фермионов справедлив принцип Паули: в одном и том же энергетическом состоянии могут находится не более 2х фермионов с противоположными спинами.

Бозоны – частицы с целым спином 0, ħ, 2ħ … (фотон, мезон) Для бозонов принцип Паули не существует, поэтому в одном энергетическом состоянии может находится любое число бозонов.

Рассмотрим в качестве примера распределение фермионов по 3м возможным энергетическим состояниям системы: E1, E2, E3. N - число фермионов; S - спиновое число S=3/2 S=1/2 (спиновый момент ħ/2) Спин имеет 2е ориентации S=0, 1 т.е. можно рассматривать как бозон с целым спином 0 или ħ S=1/2 S=-1/2 S=0 S=1/2 S=1/2 S=1/2 S=-1/2 S=1/2 S=1/2 S=1 S=1/2 S=1/2 S=1/2 S=1/2 S=-1/2

Элементарные частицы существуют в 2х разновидностях Частицы(а) античастицы(ā) Античастицы(ā) – элементарная частица имеющая (по отношению к а) равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд. Первая античастица обноружена в 1932г. Американским физиком К. Андерсоном в космическом излучении.

Фотографируя траекторию частиц космических лучей в камере Вильсона, Андерсон обнаружил трек, принадлежащий частице с массой “e-” (а), в магнитном поле частица двигалась по окружности r=(me-v)/( e-B) (Fл=Fц); ее направление движения было неизвестно и зависело от знака заряда. а)

В + + б) Для определения движения частицы Андерсон разместил на ее пути свинцовую пластинку толщиной 6мм, тормозившую частицу, r уменьшился (V), движение снизу вверх и обладает (+), т.е. античастица электрона – позитрон е+

В 1947г. – антипион 1955г. - антипротон 1956г. – антинейтрон Получены атомы антидейтерия, антитрития, антигелия. Истинно нейтральной частицей является фотон, совпадающий со своей античастицей.

Аннигиляция – процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которой они превращаются в γ-кванты (фотоны) или другие частицы. е- + е+→ 2 γ Один γ-квант не образуется т.к. одновременно должны быть выполнены законы сохранения импульса и энергии.

Электрон – позитронная пара возникает при взаимодействии γ-кванта с веществом. γ→ е- + е+

Классификация по видам взаимодействия Элементарные частицы адроны лептоны Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны – фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии (12 частиц – 6 частиц и 6 античастиц). Все лептоны – фермионы – полуцелый спин. В реакциях слабого взаимодействия лептонов участвуют лептон – нейтринные дублеты. Нейтрино всегда возникает в реакции вместе с определенным лептоном. Для выделения класса лептонов вводят квантовое число – лептонный заряд L. L=1 – для лептонов L=-1 – для антилептонов L=0 – для адронов

Сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется. Лептонный заряд “е-” и “vе- ”, образующих 1ый лептонный дублет, равен 1, а позитрона равен -1. Пример для реакции β- -распада: n→ p + e- + vе (электронное антинейтрино). Закон сохраненя лептонного заряда имеет вид: 0 = 0 + 1 -1. Закон сохранения лептонного заряда ~

Второй лептонный дублет образуют отрицательно заряженный мюон μ- и мюонное нейтрино V μ. Мюон открыт в 1936г. В космических лучах и напоминает тяжелый “е-”. m μ- > m е- в 207 раз, через 2,2с μ- распадается на е- , V μ , vе. Лептонный заряд мюона и мюонного нейтрино L=1. ~

μ- → е- + vμ + vе. 1 =1-1+1. Античастицам vμ и μ+ L=-1. В 1975г. Открыт самый тяжелый (-) лептон – таон τ- (или τ-лептон). Таон в 3492 раза тяжелее электрона и почти в 2 раза тяжелее протона, за 4*10-13с таон распадается на мюон, мюонное нейтрино, лептоный заряд таона и таонного нейтрино L=1. τ-→ μ- + V μ + Vτ З,С: 1= 1-1+1 Таон и таонное нейтрино образуют 3ий лептонный дублет. ~ ~ ~

Лептоны и их характеристики ~ ~ ~ Дублет Название Символ Масса L Время жизни(с) частица античастица в me МэВ 1 Электрон е- е+ 1 0,511 ±1 стабильно Электронное нейтрино vе vе 0 0(1,4*10-5) ±1 стабильно 2 Мюон μ- μ+ 207 105,66 ±1 2,2*10-6 Мюонное нейтрино V μ V μ 0 0(

Любое взаимодействие обусловлено обменом частиц. В 1956г. Американский физик Швингер предположил, что переносчиком слабого взаимодействия являются 2 заряженных промежуточных векторных бозона W+ и W-. В 1961г. – американский физик Глэшоу отрицательный и нейтральный бозон.

Бета – распад происходит с участием W-бозона. Сначала нейтрон распадается на протон и W-, затем промежуточный бозон W- распадается на е- и vе. β - распад ~ ~

В действительности излучение или поглощение заряженных векторных бозонов – результат превращения одного типа лептона е-, в другой - vе. W- е- vе е- vе Взаимопревращение е- и vе ~ ~ ~ ~

К классу адронов относится около 300 элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии. В зависимости от значения спина Адроны Мезоны – бозоны со спином 0, ħ участвующие в сильном взаимодействии. Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ , участвующие в сильном взаимодействии. Мезоны (meso - средний) Барионы (barys - тяжелый) (подгруппы) нуклоны гипероны

Классификация адронов ~ ~ ~ ~ ~ ~ Адроны Мезоны Барионы S = 0, 1 нуклоны гипероны π+ π- π0 S = ½ λ 0 λ0 Σ+ Σ- Σ0 Σ0 К+ К- К0 К0 µ0 p, р, n, n Ξ0 Ξ0 Ξ+ Ω- Ω+

Время жизни протона (1031 лет) – стабильная частица, все другие адроны распадаются. Американские физики-теоретики Геллман и Цвейг предположили, что адроны являются составными частицами (т.к. их “m” > чем “m” лептонов).

Нуклоны (p,n) состоят из 3х фундаментальных, электрически заряженных частиц, называемых кварками. Экспериментально подтверждено в 1969г. При рассеянии е- с энергией 20ГэВ на протонах и нейтронах. Было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в нуклоне; в нуклоне 3и точ. заряда установлено(±).

Основные характеристики кварков 1) имеют дробный электрический заряд: +2/3е – называются U-кварками (верх) -1/3е – d-кварк (низ). кварковый состав протона представляет U и d, электрона U и d. т.к. mp≈mn , то близки и массы кварков (mn>mp на 2,5 mе), поэтому d-кварки чуть тяжелее U-кварка.

2) Барионный заряд Во всех взаимодействиях барионный заряд сохраняется. Массовое число А является барионным зарядом В ядра: В=А, для барионов В=1; антибарионов В=-1, у частиц, не являющимися барионами В=0. при β-распаде: n → p + e- -Ve З.с барионного заряда: 1 = 1+ 0 + 0. Барионный заряд кварков =1/3, что дает для барионов(р,n) В=1. ~

Затем были открыты тяжелые адроны: S – странный C – очарованный b – красота t – правда Их массы превышают массы “U” и“d” – кварков. Все кварки – фермионы, полуцелый спин, т.к. адроны являются фермионами. Различные типы кварков называются ароматом.

Характеристики кварков и антикварков ~ ~ ~ ~ ~ ~ Кварк (аромат) S=1/2 q B Антикварк S=1/2 q B U, C, t +2/3e 1/3 U, C, t -2/3e -1/3 d, S, b -1/3e 1/3 d, S, b +1/3e -1/3

Цвет кварков Каврки отличаются цветом, т.к. некоторые кварки могут состоять из 3х одинаковых кварков: (каждый тип кварков, U-кварк – либо зеленым, либо красным, либо синим) Реально они не окрашены, но так лучше запомнить. Цветовой заряд является характеристикой взаимодействия кварков. Адроны – цветонейтральны. Мезоны – цветонейтральны.

поколение частица цвет q m((ГэВ) 1 Кварк U 2/3e 0,330 D -1/3e 0,333 Лептон e -e 5,11*10-4 Ve 0

π+- мезон π- - мезон ↑U 2/3е U↑ - 2/3е S↓ - 1/3e ↓d 1/3e барионный заряд = 0 (1/3 – 1/3 = 0) С помощью разноцветных кварков можно построить любой адрон: 6 кварков, 6 антикварков(каждый 3 цвета, полное число кварков - 36) ~

Фундаментальные частицы – кварки и лептоны. В сильном взаимодействии Не участвуют в сильном взаимодействии Они образуют начальный уровень материи Вселенная состоит из 48 фундаментальных частиц (см. таблицу).