Частица — элементарный объект физики¶
Частица — это физический объект, рассматриваемый как неделимая в рамках данной теории единица материи, энергии или взаимодействия. В современной физике термин описывает как элементарные частицы (электрон, кварки, фотон), так и составные объекты (протон, нейтрон, атомы, молекулы), а также квазичастицы в твёрдом теле и квантовые возмущения полей. Частицы характеризуются набором квантовых чисел — массой, зарядом, спином, изотопическим зарядом, странностью, очарованием, красотой и др.
¶История понятия
Понятие частицы восходит к атомистике Демокрита (V век до н. э.), но в физическом смысле оформилось в XVII веке. Роберт Гук и Исаак Ньютон рассматривали свет как поток корпускул. В 1803 году Джон Дальтон использовал понятие атома как неделимой частицы вещества для объяснения законов химии.
Классическая физика рассматривала частицу как точку с заданной массой и зарядом, движущуюся по определённой траектории. Решающим стало открытие электрона Джозефом Томсоном в 1897 году — первая доказанная элементарная частица. В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил фотоэффект, предположив, что свет состоит из квантов энергии — фотонов. В 1932 году Карл Андерсон открыл позитрон, подтвердив предсказание Дирака об античастицах.
В 1960-х годах Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо предложили кварковую модель адронов. Стандартная модель, сформировавшаяся к концу XX века, описывает элементарные частицы и три из четырёх фундаментальных взаимодействий.
¶Классификация частиц
¶По статистике
- Фермионы — частицы с полуцелым спином (1/2, 3/2…), подчиняющиеся статистике Ферми — Дирака. К ним относятся кварки, лептоны, а также составные частицы с полуцелым спином (протон, нейтрон).
- Бозоны — частицы с целым спином (0, 1, 2…), подчиняющиеся статистике Бозе — Эйнштейна. К ним относятся фотон, глюоны, W- и Z-бозоны, а также мезоны с целым спином.
¶По участию во взаимодействиях
- Адроны — частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Делятся на барионы (три кварка: протон, нейтрон, гипероны) и мезоны (кварк и антикварк: пионы, каоны).
- Лептоны — частицы, не участвующие в сильном взаимодействии: электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино.
¶По массе покоя
- Элементарные частицы — кварки, лептоны, бозоны взаимодействий.
- Композитные частицы — адроны, атомы, молекулы.
- Квазичастицы — квантовые возмущения в конденсированных средах (фононы, экситоны, дырки), обладающие эффективной массой и зарядом.
¶Стандартная модель
Стандартная модель описывает 12 фундаментальных фермионов (6 кварков и 6 лептонов), сгруппированных в три поколения, и 4 переносчика взаимодействий: фотон (электромагнитное), глюоны (сильное), W± и Z-бозоны (слабое). Пятый фундаментальный тип взаимодействия — гравитация — в рамки модели не входит.
| Частица | Спин | Масса (МэВ/c²) | Заряд |
|---|---|---|---|
| Электрон | 1/2 | 0,511 | −1 |
| Мюон | 1/2 | 105,7 | −1 |
| Топ-кварк | 1/2 | 173 000 | +2/3 |
| Фотон | 1 | 0 | 0 |
| Глюон | 1 | 0 | 0 |
| W-бозон | 1 | 80 400 | ±1 |
Бозон Хиггса, открытый в 2012 году на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, отвечает за механизм спонтанного нарушения симметрии и приобретение элементарными частицами массы.
¶Античастицы и антиматерия
Каждой элементарной частице соответствует античастица с теми же массой и спином, но противоположными значениями всех аддитивных квантовых чисел. Позитрон — античастица электрона. Аннигиляция частицы и античастицы приводит к образованию квантов поля. Антиматерия в природе встречается в космических лучах и в продуктах распада радиоактивных ядер.
¶Основные взаимодействия
| Взаимодействие | Переносчик | Относительная сила | Диапазон |
|---|---|---|---|
| Сильное | Глюоны | 1 | ~10⁻¹⁵ м |
| Электромагнитное | Фотоны | ~10⁻² | ∞ |
| Слабое | W, Z-бозоны | ~10⁻⁶ | ~10⁻¹⁸ м |
| Гравитационное | Гравитоны (предсказание) | ~10⁻³⁸ | ∞ |
¶Открытие новых частиц
К 2024 году в экспериментах зарегистрировано более 200 адронных состояний. Ключевые экспериментальные установки — Большой адронный коллайдер (ЦЕРН, Швейцария), Тайху (Китай), а также российские установки: коллайдер ВЭПП-4М в Новосибирске и комплекс НИИЯФ МГУ. В России ведутся работы по созданию отечественного коллайдера — проекта Сибирского кольцевого адронного коллайдера (СКИФ).
¶Применение
Исследования частиц лежат в основе ядерной энергетики, медицинской физики (протонная и ионная терапия), радиоизотопной диагностики, детекторов излучения. Методы физики высоких энергий применяются в материалистике, электронной микроскопии и компьютерной томографии.
¶Интересные факты
- Нейтрино — одна из самых распространённых частиц во Вселенной, но взаимодействует с веществом крайне редко: через Землю ежесекундно проходят триллионы нейтрино от Солнца, не оставляя следа.
- Электрон, по современным данным, имеет массу покоя менее 10⁻³⁰ кг и диаметр менее 10⁻¹⁹ м — если он вообще имеет конечный размер.
- В 2015 году Нобелевская премия по физике была присуждена Такааки Кадзите и Артуру Макдональду за открытие нейтринных осцилляций, доказавшее, что нейтрино обладают ненулевой массой.
¶Источники
- Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1983.
- Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Курс общей физики. Том 3. Квантовая механика. — М.: Наука.
- Перри М. Дж. Введение в физику высоких энергий. — М.: Мир, 1978.
- Пати Ю. К., Салам А. Енциклопедия физики частиц. — М.: Мир, 1984.
- Стандартная модель физики частиц. — ЦЕРН.