Фундаментальные частицы
| English | Русский |
|---|---|
| fundamental particles/ˌfʌndəˈmentl ˈpɑːtɪklz/ | фундаментальные частицы |
| quarks/kwɑːks/ | кварки |
| flavours/ˈfleɪvəz/ | вкусы |
| antiquark/ˈæntɪkwɑːk/ | антикварка |
| hadrons/ˈhædrɒnz/ | адроны |
| baryons/ˈbæriɒnz/ | барионы |
| mesons/ˈmiːzɒnz/ | мезоны |
| leptons/ˈleptɒnz/ | лептоны |
Внутри протона
- Протоны и нейтроны кажутся твердыми — но они не являются фундаментальными частицами.
- Каждая из них состоит из более мелких точечных частиц, называемых кварками.
- Некоторые частицы не имеют меньших составляющих; это истинно фундаментальные частицы.
Лаборатория фундаментальных частиц
Распределите частицы по семейству или взаимодействию, которое их определяет.
Кварки
- Шесть видов. Верхний (up), очарованный (charm), верхний (top) имеют заряд $+\tfrac{2}{3}e$; нижний (down), странный (strange), донижний (bottom) имеют $-\tfrac{1}{3}e$.
- У каждого есть антикварк с противоположным зарядом.
Шесть видов кварков: типы «верх» несут +⅔e, типы «низ» несут −⅓e
Каков заряд верхнего кварка?
Кварки типа «верх» (верхний, очарованный, истинный) имеют $+\tfrac{2}{3}e$; типы «низ» (нижний, странный, донный) имеют $-\tfrac{1}{3}e$.
Адроны: барионы и мезоны
- Частицы, состоящие из кварков, называются адронами.
- Барионы = три кварка; мезоны = один кварк и один антикварк.
Сопоставьте каждый адрон с тем, из чего он состоит.
Протоны и нейтроны — барионы (три кварка); пион — мезон (кварк + антикварк).
Протон и нейтрон
- Протон = u u d: заряд $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$.
- Нейтрон = u d d: заряд $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$.
Из каких кварков состоит протон?
Протон = u u d, что дает заряд $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$.
Нейтрон — это u d d. Каков его полный заряд в единицах $e$?
$\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$ — нейтрон не имеет заряда.
Разобранный пример: кварки в α-частице
α-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Докажите с помощью кварков, что заряд каждого адрона в ней равен $0$ или $+e$, и определите общее содержание кварков.
- Каждый протон состоит из uud: $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$, поэтому заряд $+e$. Это баррион (три кварка).
- Каждый нейтрон состоит из udd: $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$. Также является баррионом.
- Вся α-частица: верхних кварков $2 \times 2 + 2 \times 1 = 6$; нижних кварков $2 \times 1 + 2 \times 2 = 6$.
- Проверка: $6\left(+\tfrac{2}{3}\right) + 6\left(-\tfrac{1}{3}\right) = 4 - 2 = +2$, заряд α-частицы $+2e$.
Ядро гелия-3 содержит два протона и один нейтрон. Сколько нижних кварков оно содержит?
У каждого протона (uud) есть один нижний кварк, а у нейтрона (udd) — два: $1 + 1 + 2 = 4$.
β-распад в терминах кварков
- β$^{-}$: нейтрон становится протоном — нижний кварк превращается в верхний кварк.
- β$^{+}$: протон становится нейтроном — верхний кварк превращается в нижний кварк.
β⁻-распад крупным планом: один нижний кварк меняется на верхний, поэтому нейтрон становится протоном
При β$^{-}$-распаде какое изменение кварка происходит?
Нейтрон (u d d) превращается в протон (u u d): один нижний → верхний, испуская $\beta^{-}$ и антинейтрино.
Лептоны и фундаментальность
- Лептоны (электроны, нейтрино) фундаментальны и не состоят из кварков.
- Фундаментальные: кварки, электроны, позитроны, нейтрино. Не фундаментальные: протоны, нейтроны, мезоны (все адроны).
Частицы разделяются на адроны (состоящие из кварков) и лептоны (фундаментальные, не состоящие из кварков)
Выберите все частицы, которые являются фундаментальными.
Кварки и лептоны (электрон, нейтрино) — фундаментальные. Протоны и мезоны — адроны, состоящие из кварков.
Электрон — это лептон и не состоит из кварков.
Лептоны (электроны и нейтрино) — фундаментальные частицы, не построенные из кварков.
Разобранный пример: нейтральный мезон
Частица Q является мезоном с нулевым зарядом. Она имеет массу $0.67\ \text{u}$ и кинетическую энергию $2.1 \times 10^{-16}\ \text{J}$.
- Возможная композиция: кварк со своим антикварком, например $\text{u}\bar{\text{u}}$: $+\tfrac{2}{3} - \tfrac{2}{3} = 0$. ($\text{d}\bar{\text{d}}$ тоже подойдет.)
- Почему не два кварка? Мезон всегда состоит из кварка и антикварка; два кварка вместе не являются мезоном.
- Скорость: $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2}mv^{2}$ при $m = 0.67 \times 1.66 \times 10^{-27} = 1.1 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, следовательно $v = \sqrt{\dfrac{2 \times 2.1 \times 10^{-16}}{1.1 \times 10^{-27}}} = 6.1 \times 10^{5}\ \dfrac{\text{m}}{\text{s}}$.
- Проверка: значительно ниже скорости света, поэтому можно использовать обычную формулу кинетической энергии.
Мезон состоит из кварка и ____.
Мезоны — пары кварк–антикварк; барионы — три кварка. Нейтральный мезон образует пару кварка с антикварком противоположного заряда, например, верхнего с анти-верхним.
"Фундаментальный" означает не состоящий из чего-либо меньшего: кварки и лептоны — фундаментальные; протоны, нейтроны и все остальные адроны — нет. Антикварки несут противоположный заряд, поэтому нейтральный мезон образует пару из кварка и соответствующего ему антикварка. При β$^{-}$-распаде происходит смена кварка d → u — рост заряда на $+1$, который компенсируется зарядом испущенного электрона $-1$ — и электрон рождается в процессе распада, а не высвобождается из орбиты.
Вы поняли
- кварки фундаментальны (кварки верхнего типа $+\tfrac{2}{3}e$, нижнего типа $-\tfrac{1}{3}e$; антикварки имеют противоположный заряд)
- барионы = 3 кварка (протон uud, нейтрон udd); мезоны = кварк + антикварк; кварки ядра складываются из кварков его протонов и нейтронов
- при β$^{-}$-распаде нижний кварк → верхний кварк; лептоны (электрон, нейтрино) фундаментальны