Види класифікації елементарних частинок. Поділ частинок за статистичним розподілом фермі-дірака та бозе-енштейна

Зміст

Вступ

1. Літературний огляд

1.1 Види класифікації елементарних частинок. Поділ частинок за статистичним розподілом Фермі-Дірака та Бозе-Енштейна

1.2 Основні види елементарних взаємодій

1.3 Класифікація частинок за видом взаємодій

1.4 Класифікація частинок за часом життя

1.5 Античастинка. Антиречовина

1.6 Гіпотетичні елементарні частинки

2. Матеріали та методи дослідження

2.2 Методи дослідження характеристик елементарних частинок. Прискорювачі

2.2 Лінійні резонансні прискорювачі

2.3 Циклічні прискорювачі

3. Результати та їх обговорення

3.1 Бозони

Глюони

Бозон Хіггса

3.2 Ферміони

Лептони

Кварки

3.3 Адрони

Баріони

Чарівний баріон

Гарний баріон

3.4 Мезони

В-мезон

Мезони

Чарівний мезон

Гарний мезон

Дивний мезон

Екзотичні мезони

С - мезони

Список використаних джерел

Вступ

 

Античні греки вважали, що світ складається з чотирьох первинних стихій: землі, повітря, вогню та води. Давньогрецький філософ Демокрит розробив атомістичне вчення, відповідно до якого існують лише атоми та порожнеча. Атоми Демокрита - неподільні матеріальні елементи, вічні, непроникні, що відрізняються формою та розмірами. З їх вихору утворюються як окремі тіла, так і всі різноманітні, невидимі людині світи, що діють на органи відчуттів.

Після І. Ньютона запанувала механістична модель з ґравітаційною взаємодією між рухомими частинками. У ХХ ст. механістична картина світу була замінена польовою - властивості світу виводилися з чотирьох типів взаємодії: ядерної, електромагнітної, слабкої та ґравітаційної. Останнім часом усю різноманітність навколишнього світу пов’язують із властивостями вакууму. Вакуум - найстабільніше з усього, що існує в природі і в той же час найскладніше з усього, про що ми знаємо. Наприклад, однаковість елементарних частинок диктується саме властивостями вакууму. Більше того, при флуктуаціях вакууму можуть породжуватися пари елементарних частинок.

Елементарними називають найдрібніші відомі частинки фізичної матерії. Спочатку під терміном "елементарна частинка” розуміли щось абсолютно елементарне. Проте, коли в 1950-х і 1960-х роках були відкриті сотні адронів зі схожими властивостями, стало ясно, що принаймні адрони мають внутрішні ступені свободи, тобто не є в строгому значенні слова елементарними. Зокрема, було виявлено внутрішню структуру протона, нейтрона, інших частинок. Вони складаються з кварків, пар "кварк-антикварк" та глюонів. У свою чергу кварки, можливо, теж мають свою структуру, хоча на сучасному рівні знань вони є фундаментальними складовими адронів. Тобто характерною ознакою елементарних частинок є їх здатність до взаємних перетворень, що не дозволяє розглядати елементарні частинки як найпростіші, незмінні "цеглинки світобудови”.

Відомий сьогодні набір елементарних частинок не був таким протягом усього існування Всесвіту. Космогонічна теорія Великого вибуху стверджує, що на початку, в момент часу 10-33 с після Великого вибуху, існували частинки-прабатьки, так звані преони, з енергією 1015 ГеВ. Прямими "спадкоємцями” преонів стали кварки. Близько 10-6 с після Великого вибуху утворили протони і нейтрони. За цими уявленнями через приблизно 3 хв. після початку процесу утворилася й більша частина ядер гелію, що існують у Всесвіті [1].

елементарна частинка прискорювач

Літературний огляд

 

Античастинка. Антиречовина

 

Одне з найважливіших досягнень сучасної фізики - відкриття особливої симетрії природи, яка полягає в тому, що в кожної частинки речовини існує "двійник" - античастинка. Вона має ту саму масу і спін, але протилежний знак електричного та інших характерних зарядів. На існування в природі такої симетрії вперше вказав (1928 р.) П. Дірак.

Першою відкритою античастинкою був позитрон (антиелектрон), виявлений 1932 р. у складі космічного випромінювання. Через більш ніж двадцять років в експериментах на прискорювачах високих енергій були відкриті антипротон і антинейтрон. Потім на прискорювачах вдалося спостерігати велику групу нестабільних частинок - антигіперонів. Зокрема, одна з таких частинок - анти-сигма-мінус-гіперон - була відкрита на синхрофазотроні в ОІЯД м. Дубни. Античастинки можуть народжуватися лише в парі зі своїм двійником - звичайною частинкою. Енергія, що витрачається на утворення пари частинки - античастинки, дорівнює 2mс², де m - маса частинки. Наприклад, у разі народження пари електрон - позитрон витрачається енергія 1,02 МеВ.

Усі ці античастинки належать до класу елементарних частинок. Із теоретичних уявлень випливає, що поряд з елементарними античастинками мають існувати їхні складові системи - антиядра, складовими елементами яких є антипротони і антинейтрони. Більше того, атому кожного хімічного елемента таблиці Д.І. Менделєєва відповідають атоми антиелементів, що складаються з антиядер і антиелектронів (позитронів). Отже, поряд з будь-якою хімічною сполукою звичайної речовини можуть існувати аналогічні хімічні сполуки, побудовані з атомів антиречовини. Інакше кажучи, сучасна теорія припускає, що у Всесвіті можуть існувати ділянки з антиречовиною. Вони відрізняються від звичайної речовини лише тим, що замість електронної оболонки "звичайних" атомів в "антиатомах" оболонка складається з позитронів, а замість атомних ядер містяться відповідні антиядра.

Характерною особливістю взаємодії частинок з античастинками є те, що при зіткненні вони можуть анігілювати, точніше перетворюватись у випромінювання або в частинки меншої маси. Так, позитрон, зіткнувшись з електроном, може перетворитися в два або три γ-кванти, антипротон при зіткненні з протоном - у кілька мезонів, які потім або поглинаються речовиною, або розпадаються. Через реакцію анігіляції "антиречовина" не може стабільно існувати разом із речовиною. В такій "суміші" неперервно знищувалися б частинки і античастинки доти, доки один з її компонентів повністю не "вигорів" би. Оскільки при анігіляції виділяється значна енергія, суміш речовини і антиречовини становить "ідеальне" паливо максимально можливої калорійності. Воно приблизно в тисячу разів калорійніше від палива на основі ядерного поділу. Внаслідок великого енерговиділення при анігіляції речовини і антиречовини гіпотеза існування "антисвітів" (тобто ділянок, що складаються з антиречовини) часто використовувалась астрофізиками для пояснення незрозумілих потужних джерел випромінювання у Всесвіті.

Із введенням в експлуатацію потужних прискорювачів елементарних частинок на енергію в десятки мільярдів електрон-вольтів істотно розширились можливості експериментального вивчення антиречовини. Справа в тому, що для народження античастинок при зіткненні частинок високої енергії важливо, щоб енергія бомбардуючої частинки була досить великою. Наприклад, реальна можливість спостережень антипротонів з’явилась тоді, коли було споруджено прискорювачі протонів до енергій 6.10 ГеВ. На прискорювачі, розрахованому на енергії близько 30 ГеВ, було виявлено антидейтерій.

Перше антиядро-антидейтрон одержали 1965 р. американські фізики під керівництвом Л. Ледермана. Можливість же спостерігати антиядро наступного за гідрогеном елемента таблиці Д.І. Менделєєва - гелію відкрилась, по суті, тільки з введенням в експлуатацію Серпухівського прискорювача протонів з максимальною енергією 76 ГеВ. Ядро антигелію складається з двох антипротонів і одного антинейтрона.

Труднощі, які виникли перед експериментаторами, полягали у тому, що ядра антигелію потрібно було шукати серед великої кількості інших частинок, які утворюються при зіткненні частинок високих енергій. їх виділяли з маси інших частинок одночасно за кількома ознаками, зокрема за електричним зарядом, швидкістю руху частинок, які визначались різними методами. Це дало змогу надійно зареєструвати ядра антигелію. За час вимірювання через експериментальну установку було пропущено понад 2 ∙ 10¹¹ частинок, серед яких виявилося п’ять ядер антигелію. Відкриття ядер антигелію має велике принципове значення, оскільки воно підтверджує теоретичну концепцію існування антиречовини. А це, у свою чергу, сприятиме глибокому розумінню процесів, які відбуваються у Всесвіті, а також його еволюції.

Якби були можливими накопичення антиречовини, то процеси, які в них можуть відбуватися, не відрізнялись би від тих, що існують у звичайній речовині. Таке накопичення антиречовини, яке за своїми масштабами еквівалентне, наприклад, галактиці, можна назвати антигалактикою.

Можна припустити, що поряд з галактиками існують антигалактики. При зіткненні антигалактик із звичайними космічними утвореннями мають відбуватися грандіозні катастрофи у Всесвіті, які супроводжуються грандіозними вибухами з виділенням величезної кількості випромінювання. Можливо, що цими процесами можна пояснити спалахи нових зірок та інші космічні явища [8].

Циклічні прискорювачі

 

У циклічних прискорювачах використовується спільна дія на заряджену частинку електричного і магнітного полів. Електричне поле прискорює частинки, а магнітне утримує їх на певній траєкторії і багато разів повертає у прискорююче поле. Циклічні прискорювачі, як і лінійні, поділяються на нерезонансні і резонансні.

До нерезонансних циклічних прискорювачів належить бетатрон, який використовується для прискорення р-частинок (електронів). Теорію бетатрона розробив у 1940 р. радянський фізик Я.П. Терлецький, а в 1940-1941 рр. у США Д. Керст збудував перший бетатрон, який давав змогу прискорювати електрони до енергій 2-3 МеВ. На рис. 3 показано схематичний переріз бетатрона (1 - полюсні наконечники; 2 - переріз вакуумної тороїдальної трубки; 3 - центральний сердечник; 4 - обмотка електромагніту; 5 - ярмо магніту).

Як відомо, змінне магнітне поле створює вихрове електричне поле, лінії напруженості якого являють замкнені криві, що охоплюють лінії магнітної індукції. Таке вихрове електричне поле використовується для прискорення електронів у тороїдальній трубці. Під час посилення магнітного поля у трубку вводять електрони. Їх підхоплює вихрове електричне поле і розганяє до високих енергій. Через чверть періоду зміни сили струму в електромагніті напруженість магнітного поля досягає максимуму і прискорення електронів припиняється. За цей час електрони набувають енергію до 300 МеВ. Максимальна енергія електронів, прискорених у бетатроні, може досягати 500 МеВ. Дальшому зростанню їх енергії перешкоджають значні витрати її на електромагнітне випромінювання електронів, що рухаються по викривлених траєкторіях.

Залежно від характеру прискорюючого поля і керуючого магнітного поля циклічні резонансні прискорювачі поділяють на циклотрони, фазотрони, синхротрони та синхрофазотрони.

Розглянемо принцип дії деяких циклічних резонансних прискорювачів. Першим циклічним резонансним прискорювачем був циклотрон, який сконструював у 1930 р. Е. Лоурено. В однорідному магнітному полі у вакуумній камері розміщено два порожнистих D-подібних електроди - дуанти 1 і 2 (рис. 3). У центрі між ними вмонтовано вертикальну трубку А, через яку вводяться позитивно заряджені іони. Дуанти підключено до генератора змінної електричної напруги. У щілині між дуантами виникає електричне поле то прямого, то протилежного напрямів. Нехай з джерела іонів А вилітає позитивний іон у той момент, коли дуант 1 має позитивний потенціал, а дуант 2 - негативний.

 

Рис. 1.2 Циклічний резонансний прискорювач.

 

Рис. 1.3 Циклічний резонансний прискорювач.

 

Позитивний іон під дією електричного поля зазнає прискорення і влітає в порожнину дуанта 2. У порожнині дуанта 2 під дією магнітного поля іон перейде на колову орбіту. Радіус орбіти R знаходимо за умови, що роль доцентрової сили відіграє сила Лоренца, тобто:

 

qυB = mυ²/R, тоді R=mυ/qB, (2.1)

 

де q,m і υ - відповідно заряд, маса і швидкість іона.

Якщо за час, протягом якого іон у дуанті опише півколо і підійде до щілини, напрям електричного поля зміниться на протилежний, то поле знову прискорюватиме його. Такий механізм прискорення зарядженої частинки в циклотроні можливий тільки за умови, що її рух відбувається синхронно (в резонансі) із зміною напруги між дуантами, тобто період змінного електричного поля збігається з періодом Т колового руху іона в дуантах. Оскільки υ = 2πR/Т, то умова синхронізації має вигляд:

 

Т₀ = Т = 2πm/qB. (2.2)

 

Прискорення позитивних іонів у циклотроні можливе доти, поки частинки рухаються в резонанс з прискорюючим полем, тобто поки не проявляються релятивістські ефекти залежності маси від швидкості. За допомогою циклотронів можна прискорювати протони, дейтрони, іони гелію до енергій 10÷20 МеВ. При значному збільшенні швидкості частинки її маса помітно збільшується і рівняння синхронізації порушується [13].

У 1944-1945 рр. радянський вчений В.І. Векслер і незалежно від нього американський вчений Е. Макміллан відкрили досить важливе фізичне явище, яке було названо механізмом автофазування. Він діє у резонансних прискорювачах і дає змогу досягнути також і релятивістських енергій:

 

Рис. 1.4 Прискорювач з однорідним магнітним полем.

 

Механізм автофазування полягає в тому, що при досить повільній зміні з часом частоти прискорюючого поля ω₂ (t) і середнього значення індукції магнітного поля  (t) енергія частинки автоматично набирає значення, близьке до резонансного. Для з'ясування принципу автофазування, як приклад, розглянемо прискорювач з однорідним магнітним полем, прискорююча напруга якого змінюється за законом косинуса.

Нехай φ_{0 - "}рівноважна фаза", тобто фаза частинки, що перебуває в резонансі з прискорюючим полем. Якщо частинка випадково потрапляє у фазу φ₁>φ₀, то вона дістає енергію меншу, ніж при φ=φ₀ (рис.1.4), період ЇЇ обертання відповідно до (3.2) зменшиться, частинка відставатиме по фазі, тобто ЇЇ фаза наближатиметься до рівноважної фази φ₀. Навпаки, частинка, яка відстала (φ₂ < φ₀), дістає більшу енергію, ніж при φ= φ₀, її період збільшується, вона прийде до щілини між прискорюючими електродами пізніше і, отже, наблизиться до рівноважної частинки. Відкриття принципу автофазування привело до створення нових типів циклічних резонансних прискорювачів.

Як зазначалось, при зростанні енергії прискорюваної частинки рівняння синхронізації порушується і наступне прискорення частинки припиняється. Відповідно для збільшення енергії частинки у прискорювачі при збереженні синхронізації необхідно нарощувати магнітне поле. Прискорювач, в якому режим прискорення частинок підтримується зміною магнітного поля, називається синхротроном. У таких прискорювачах частота прискорюючого поля ω₂ стала. Синхротрон використовується для прискорення електронів.

Інший метод автофазування полягає в тому, що для збереження синхронізації повільно змінюють частоту прискорюючого електричного поля ω₂ відповідно до зміни маси частинки, а магнітне поле залишається незмінним. Такий прискорювач називають фазотроном. Він працює в імпульсному режимі і використовується для прискорення протонів та іонів. Прискорювач, в якому поєднуються принципи дії синхротрона і фазотрона, називають синхрофазотроном [14].

Максимальна енергія протонів, досягнута на синхрофазотроні (США), - 500 ГеВ, в ЦЕРН (Швейцарія) - 450 ГеВ. У СРСР біля Серпухова працює синхрофазотрон з енергією протонів 76 ГеВ.

 

Рис. 1.6. Схема установки на зустрічних протон-протонних пучках.

 

Для ефективного підвищення енергії частинок тепер широко застосовуються установки із зустрічними пучками. Найпоширенішими є установки на електрон-позитронних, протон-протонних і протон-антипротонних пучках. Такі установки називають коллайдерами. Перший електронний прискорювач на зустрічних пучках був введений у дію в Новосибірську (1967р.). Енергія частинок у кожному пучку становила 0,16 ГеВ. Відповідно до розрахунків для еквівалентного прискорювача з нерухомою мішенню це відповідає Е = 100 ГеВ. Планується введення в дію у Новосибірську прискорювача на зустрічних електрон-позитронних пучках, у якого енергія частинок кожного пучка 1000 ГеВ. Це відповідатиме енергії частинок прискорювача з нерухомою мішенню Е = 4 10⁹ ГеВ.

На (рис.1.6.) показана схема установки на зустрічних протон-протонних пучках (ЦЕРН, енергія частинок кожного пучка 31 ГеВ, Е = 2 10³ ГеВ). Прискорювальна система складається з інжектора І (лінійного прискорювача), бустера В (малого прискорювача) і потужного синхрофазотрона СФ. Система формує пучок протонів з енергією 31 ГеВ Біля прискорювача розташовано два накопичувальних кільця НК, у яких трохи деформовані кола діаметром 300м перетинаються 8 разів під кутом 15°. Протони вводяться в кільця по черзі каналами 1 і 2 протягом 30 хв до досягнення сили струму 30 А. Після цього синхрофазотрон від'єднується. Тиск доведений до 10⁹ Па. Це дає змогу зберігати зустрічні протонні пучки протягом кількох діб. Пучки зазнають зіткнень у місцях перетину кілець, де й відбувається реєстрування подій. Тепер розробляються проекти установок із зустрічними протон-антипротонними пучками на кілька десятків ТеВ. Провадяться також пошуки нових принципів прискорення елементарних частинок. Вважають перспективним колективний метод прискорення, при якому поля, що прискорюють частинки, створюються не зовнішніми радіотехнічними засобами, а за допомогою інших груп заряджених частинок.

Ведуться роботи по створенню прискорювачів з електромагнітами з високотемпературних надпровідників та кібернетичних прискорювачів.

Всі нейтральні частинки, у тому числі і нейтрони, неможливо прискорювати і фокусувати електромагнітними полями. Такі частинки утворюються тільки під час ядерних реакцій. Джерела нейтронів поділяють на три групи: джерела, в яких нейтрони виникають внаслідок радіоактивних випромінювань; джерела, в яких нейтрони створюються частинками, що вилітають з прискорювачів; ядерні реактори.

Для дослідження взаємодії одних частинок з іншими перші направляють у вигляді пучка частинок певних енергій на інші, які знаходяться в спеціальних пристроях, їх називають мішенями. Дослідженню підлягають частинки, які вилітають з мішені. Мішені можуть бути розміщені як всередині камери прискорювача, так і за її межами. Часто мішенню є робоча речовина самого детектора [15].

Бозони

 

Частинки які підкоряються розподілу Бозе-Ейнштейна (1.3) який описує частинки з цілим або нульовим спіном. Згідно С.М. ці частинки є перенощиками різних взаємодій, тобто є квантами поля, тому їх класифікують за видами взаємодії що вони переносять. Згідно цієї класифікації таблиця (3.1) електромагнітну взаємодію здійснює фотон який переносить заряд, тому часто фотон, або гамма-квант, розглядається як джерело іонізуючого випромінювання.

Таблиця 3.1-

Основні характеристики бозонів

Частинка	Символ	Тип частинки	Взаємодія	Маса, МеВ	Час життя, с	Спін в ћ
Хігс-бозон	H0	бозон		114400		0
Зет-бозон	Z0	калибр бозон	Слабка	91187,6	2,64E-25	1
Дубль-Ве-бозон	W (+ -)	калибр бозон	Слабка	80399	3,16E-25	1
Фотон	γ	калибр бозон	ел-маг, грав.	1E-24	∞	1
Глюон	g	калибр бозон	Сильна
Гравитон	G	калибр бозон	гравітаціна	0	∞	2
Хігс-плюсминус-бозон	H (+ -)	бозон		79300
Дубль-Ве-штрих-бозон	W'	бозон		1000000
Зет-штрих-бозон	Z'	бозон		1030000

 

Така взаємодія здійснюється згідно квантової електродинаміки шляхом обміну віртуальними лептонами з елементарними частинками. Згідно літературних даних фотон це без масова частинка, яка була теоретично доведена Планком у 1900 року та Ейнштейном у 1905-1907 роках. Остаточного підтвердження ця теорія здобула у 1923 році. Фотон має два спінові стани з проекціями спіну на напрямки руху (спіральність) ±1. Класичною аналогією цієї квантової характеристики відповідає коловій правій та лівій поляризації електромагнітної хвилі.

Фотону як квантовій частинці властивий корпускулярно-хвильовий дуалізм, тобто прояв властивостей частинок і хвиль. Швидкість фотону який є калібровочним бозоном у вакуумі складає с (с=299792458 м/с) і є максимальною швидкістю згідно теорії відносності Ейнштейна.

Для частинок що мають електромагнітну та гравітаційну взаємодію є характерним анігіляція або утворення пари частинок - античастинок за участю фотона (гама кванту). Фотони є безпосередніми учасниками таких процесів як фотоефект, ядерний фото розпад, ефект Комптона.

Згідно теорії електрослабкої взаємодії слабка взаємодія і електромагнітна взаємодія на початку утворення всесвіту мали однакові характеристики і по суті були перенощиками слабкої взаємодії, але через деякий швидкоплинний період електромагнітна і слабка взаємодія розділилась у наслідок того, що фотон не взаємодіє з бозоном Хігсса (безмасовий), а калібровочні слабкі бозони взаємодіяли і отримали значну масу табл. (3.1).

Слабкі колібровочні бозони (weak) переносять квантову характеристику, яку по аналогією з електромагнітною взаємодією можна порівняти з слабким зарядом. Аромат - квантова характеристика що притаманна кваркам, яка може змінюватися під впливом  або z - бозона, тобто один тип кварку змінюється на інший.

Проявом слабкої взаємодії є різні типи бета розпаду. Крім того слабка взаємодія характерна для інших типів розпаду елементарних частинок.

Слабкі калібровочні бозони приймають участь у слабкій і гравітаційній взаємодіях, а W-бозон у електромагнітній. Електричний заряд для дорівнює е а для z 0 Кольоровий заряд 0 спін 1 кількість спінових станів 3. Відкритий у ЦЕРНі в 1983 році.

Випромінювання  або w - бозону може підвищити або знизити електричний заряд частинки що випромінює на 1 і змінити спін на 1.бозон може змінювати генерацію частинок. Перетворювати "с" кварк на "u" кварк.  - бозон не може змінювати будь який заряд а тільки спін і імпульс, тому він не змінює ні генерацію, ні аромат частинки яка його випромінює. Свою назву W-бозон отримав від слова weak, що означає слабкий а  - бозон від слова zero що означає нульовий по підношенню до його заряду.

Глюони

Глюон також є перенощиком слабкої взаємодії. Результатом взаємодії з яким змінюється квантовий кольоровий стан кварку. Тобто глюон це векторний калібровочний бозон який безпосередньо відповідає за сильну кольорову взаємодію між кварками і описується квантовою хромодинамікою. Глюон приймає участь у сильній та гравітаційній взаємодії. Теоретично обґрунтував Гелл-Ман та

Цвейг у 1964 році, а експериментально встановлено існування вже у 1979 році.

Таблиця 3.2-

Можливі комбінації глюонів

	с з

 

Існує 8 типів глюонів. Див тал. (3.2) згідно цієї таблиці глюон має одночасно два квантових кольори. Колір один та антиколір два. При взаємодії з кварком наприклад з кварком у стані зелений глюон з антизеленим і синім кольором спочатку робить кварк безколірним, а потім "фарбує" його в синій.

Завдяки такий неперервній взаємодії глюонів з кварками, кварк є весь час зайнятим і тому не може покинути межі частинки частину якої він складає. Це явище називається "в'язниця" яке є сутністю сильної взаємодії, що не дозволяє кваркам бути вільними. І створює можливість їх існування лише в складі трьох різних кварків або системи кварк - антикварк.

Три кварки баріони, а кварк анти кварк мезони.

У середині сильно взаємодіючої частинки (адрона) кварки і глюони є відносно рівними і утворюють кварк - гюонну плазму. Маса і електричний заряд глюона дорівнює 0, спін 1, а кількість спінових станів 2.

Свою назву глюон отримав від англійського слова gluve - клей. Опис гіпотетичної частинки яка як вважають відповідає за гравітаційну взаємодію і називається гравітон виходить за рамки стандартної моделі. Це частинка є калібровочним бозон що гравітаційно взаємодіє. Можливі і інші типи взаємодії, наприклад темна, існування якої не доведено. Маса частинки і електричних заряд дорівнює 0, а спін 2 з двома можливими напрямками поляризації.

Незважаючи на це пошуки існування гравітону підтвердженням чого є дослідження Гарвард - Смітсонівського центру астрофізики що підтверджують квантову теорію гравітації (2014).

Бозон Хіггса

Бозон Хіггса - гіпотетична масивна без спінова частинка, квант відповідного (хіггсового) поля, що виникає в теоретичних моделях із спонтанним порушенням симетрії (в тому числі і в стандартної моделі) і відповідального за виникнення мас у елементарних частинках.

Стандартна модель передбачає, що існує ще одне поле, яке практично невіддільне від порожнього простору. Його прийнято називати полем Хіггса (за прізвищем англійського теоретика Пітера Хіггса). Вважається, що весь простір заповнений цим полем, і що частинки набувають масу шляхом взаємодії з ним. Ті з них, які сильно взаємодіють з полем Хіггса, є важкими частинками, а слабо взаємодіючі - легкими. Цей ефект аналогічний ефекту руху тіла в в'язкої рідини, коли воно за рахунок взаємодії з рідиною набуває додаткової ефективну масу. Ще один приклад - електрон в кристалі. Через електромагнітну взаємодії з атомами кристалічної решітки електрон набуває ефективну масу, відмінну від маси вільного електрона.

Одне з найважливіших завдань сучасної фізики - виявлення хіггсовських частинок і вивчення їх властивостей. Існування бозонів Хіггса надзвичайно важливо для фізики елементарних частинок. За сучасними теоретичними уявленнями, хиггсовских бозони мають пряме відношення до концепції походження мас елементарних частинок - фундаментального питання фізики. Примітно, що це питання не піднімалося до появи Стандартної моделі.

В силу корпускулярно-хвильового дуалізму полю Хіггса повинна відповідати, принаймні, одна частинка - квант цього поля, звана часткою Хіггса або хіггсовським бозоном. Вважається, що хіггсовський бозон має нульовий спін. Експериментальне спостереження хіггсовського бозона було б одним з найбільших наукових відкриттів XXI століття.

Існують чотири основні канали народження хіггсовського бозона в зіткненні партонів з двох зустрічних протонів:

Народження в злитті глюонів: gg → H. У ультрарелятивістському протоні глюони (з потрібною кінематикою) переважають над іншими Партонами, тому це домінуючий канал народження. Цей процес виявився досить важким для розрахунку тому, що поправки високого порядку виявилися не малі, проте після декількох років роботи вони обчислені з хорошою точністю.

Народження в злитті векторних бозонів WW → H або ZZ → H. Віртуальні векторні бозони, які випромінюються і поглинаються кварками, можна теж розглядати як Партон, яких, правда, в протоні надзвичайно мало. Проте вони дуже сильно (набагато сильніше, ніж самі кварки) пов'язані з хіггсовських бозоном, тому перетин цього процесу всього в декілька разів менше, ніж злиття глюонів.

Асоціативне народження разом з W-або Z-бозоном. Цей процес часто називають також Higgsstrahlung ("гальмівне випромінювання бозона Хіггса" - за аналогією з bremsstrahlung, гальмівним випромінюванням фотонів).

Асоціативне народження разом з топ-кварками. Цей процес можна уявити собі як народження двох топ-кварк-антикваркових пар, причому кварк і антикварк з різних пар потім зливаються, породжуючи хіггсовський бозон. Перетин цього процесу ще менше, але він володіє своєю специфічною сигнатурою (картиною розпаду в детекторі), яку можна використовувати для пошуку хиггсовского бозона.

Ферміони

 

Згідно статистичної фізики ферміони це частинки що мають спін кратний напівцілому і під контролюються статистиці Фермі-Дірка. Якщо бозони це частинки поля, то ферміони це частинки матерії. По відношенню до фундаментальної взаємодії всі частинки стандартної моделі поділяються на лептон, адрони і кварки.

Лептони

Лептони йде від слова легкий. Входять у клас фундаментальних ферміонів (разом з кварками). Вони складають клас фундаментальних ферміонів з яких складеться речовина і в яких відсутня внутрішня структура (станом на 2013). Ферміони складаються з трьох генерацій (поколінь) таблиця (3.3).

 

Таблиця 3.3-

Основні характеристики лептонів

Назва	Символ	Маса	Спін	Час життя
Електрон	е, е	9,10938 (40) ·10−31 кг 0,51099898 МеВ/c²	(1/2)	∞ (не менее 4,6·10^26 лет)
Позитрон	е+	9,1093826 (16) ·10^−31 кг0,51098910 (13) МеВ/c²	(1/2)	∞ (не менее 4,6·10^26 лет)
Продовження таблиці 3.3
Мюон	μ (μ^−)	105,6583715 (35) МеВ	(1/2)	2, 19703 (4) ·10^−6 c
Тау-лептон		1,77682 (16) ГеВ	(1/2)	2,9·10^−13 с
Електронне нейтрино	νe	меньше 0,28 МеВ, але не 0	(1/2)	10·10^13 с
				10·10^13 с
Мюонне нейтрино	νμ	меньше 0,28 МеВ, але не 0	(1/2)	10·10^13 с
Тау-нейтрино	ντ	меньше 0,28 МеВ, але не 0	(1/2)	10·10^13 с

 

Електронне нейтрино, тау лептон, тау лептонне нейтрино і т.д. Які відрізняються за масою і у результаті розпаду перетворюються один у одного.

 

Рис. 3.2 Графік залежності часу життя від енергії для лептонів.

 

Електрони мюони і таони взаємодіють електромагнітно, слабко та гравітаційно, а нейтрино тільки слабко і гравітаційно. Для нейтрино також характерне перетворення одного типу в інший які називаються нейтринними осциляціями. Проблема нейтринних осциляцій розв’язується якраз у даний час і до кінця не вирішена, хоча останні дослідження вказують на можливість усіх типів нейтринних осциляцій. Деякі вчені висловлюють думку що таон і мюон є збудженими станами електрона за масою, або за енергією. Тому вони у результаті розпаду перетворюються у стабільний електрон.

В підтвердження таких стверджень нами приведено залежність енергії лептона від часу його життя (рис 3.2.) з якої видно що при зменшенні енергії лептона час його життя збільшується. Тому на наш погляд такі ствердження є обґрунтовані.

Відомо що всі перетворення лептонів здійснюються у відповідність з законом збереження лептонних зарядів. Співвідношення мас лептонів відповідає формулі Коїде і формулі Борутта.

Кварки

Кварки разом з лептонами складають сім’ю фундаментальних ферміонів з яких складається матерія і які не мають внутрішньої структури (станом на 2013 рік). Кварки також складають з трьох поколінь (генерацій) див таблицю (??). Кварки приймають участь у всіх елементарних взаємодіях: слабка, сильна, електромагнітна і гравітаційна. Особливість кварків полягає в тому що їх заряд кратний е\3. І складає - 1/3 е або +1/3 е Кварки не спостерігаються у вільному стані. Точковий масштаб розмірів менше метра. Всі сильно взаємодіючі частинки (адрони) складаються з кварків.

 

Таблиця 3.4-Основні характеристики кварків

Назва	Покоління	Античастинка	Маса	Електричний заряд	спін
u-кварк	перше	u-антикварк	1.7 - 3.3 МеВ	1/3	1/2
d-кварк	перше	d-антикварк	4.1 - 5.8 МеВ	- 1/3	1/2
с-кварк	друге	с-антикварк	1.27 ГеВ	2/3	1/2
s-кварк	друге	s-антикварк	101 МеВ	- 1/3	1/2
t-кварк	третє	t-антикварк	172.0±2.2 ГеВ	1/3	1/2
b-кварк	третє	b-антикварк	4.19 ГеВ	- 1/3	1/2

 

Кварки мають 6 ароматів див таблицю (3.4) які можуть змінюватись під впливом слабкої взаємодії. Для кварків характерна наявність конфайменту, що реалізується у результаті сильної взаємодії з глюонами. Кварки у різній модифікації є складовими частинами двох типів адронів: баріонів (сполучення трьох кварків) і мезонів (сполучення кварку і антикварку).

 

Рис. 3.3 Адронні струми

 

Кваркова модель буда запропонована Гелл-Ман і Цвейгом і на сьогодні пояснює існування всіх адронів. Існування кварків підтверджено експериментально з досліду адронних струмів. Існування яких вважається експериментально встановленим фактом.

Адрони

 

Адрони е частинки для яких характерна сильна взаємодія. Назва адрони з грецької "масивний" запропоновано Окунем у 1962 році. Поділяють на дві основні групи. Баріони що складаються з трьох кварків і трьох кольорів які утворюють безкольорову комбінацію і мають на пів цілий спін тобто є (складеними) ферміонами таблиця (3.3) куди відносять нуклони що складають ядро атома, гіперони.

Другою групою частинок є мезони що складаються з кварку та антикварку. До мезонів відносяться піони, каони, та інші важкі мезонии. Вони мають цілий спін тобто є складеними бозонами.