Parçacık fiziği

Parçacık fiziği veya atom altı fizik dalı olan fizik çalışmalar bu element bileşenleri, malzeme ve radyasyon , ve aynı zamanda bunların etkileşimleri . Bazen yüksek enerjili fizik olarak da adlandırılır , çünkü birçok temel , kararsız parçacık doğal olarak mevcut değildir ve yalnızca parçacık hızlandırıcılarda kararlı parçacıklar arasındaki yüksek enerjili çarpışmalar sırasında tespit edilebilir .

Higgs bozonunun keşfi , 2005 yılında dünya fizik yılı vesilesiyle oluşturulan madde bileşenleri tablosunun 2014 yılında fikir birliğine ve güncellenmesine izin verdi.

Tarihi

Maddenin temel parçacıklardan oluştuğu fikri en azından İ.Ö. VI. Yy.'dan kalmadır . AD . O zamanlar, temelde sürekli kavramına hakim olamama üzerine kuruluydu: Elealı Zeno'nun paradokslarına bakın .

Felsefi doktrini içinde atomism tarafından incelenmiştir Yunan filozofları gibi, Leucippus'tan , Demokritos, ve Epikuros . En rağmen XVII inci yüzyılın , Isaac Newton o düşünmüştü madde parçacıklarının oluşur, John Dalton içinde, 1802 herşey minik atomlardan yapıldığını resmen telaffuz. Atomların boyutunu nasıl tahmin edeceğimizi öğrenene kadar bu hipotez gerçekten bilimsel hale gelmedi (1865, Loschmidt ; 1870, Lord Kelvin )

In 1869 , ilk periyodik tablo içinde Mendeleev boyunca hüküm süren görünümünü pekiştirmek için izin XIX inci madde atomlarının yapıldığı yüzyıl.

Thomson'ın çalışması , atomların hafif elektronlardan ve büyük protonlardan oluştuğunu ortaya koydu . Rutherford , protonların kompakt bir çekirdekte yoğunlaştığını tespit etti. Başlangıçta çekirdeğin yalnızca sınırlı protonlardan ve elektronlardan oluştuğu düşünülüyordu ( yük ve kütle sayısı arasındaki farkı açıklamak için ), ancak daha sonra proton ve nötronlardan oluştuğu ortaya çıktı.

In XX inci yüzyılda ilerlemeler nükleer fizik muhteşem kanıtlarla ve kuantum fiziği, nükleer fisyon ve nükleer füzyon , hatta mümkün (ancak ekonomik olarak karlı değil) yaparak, başka bir atom üretme yeteneğine sahip bir endüstri doğurdu dönüşüm ait kurşun içine altın .

1950'ler ve 1960'lar boyunca , çarpışma deneylerinde şaşırtıcı bir çeşitlilikte parçacık bulundu: bir "parçacık hayvanat bahçesi" (tarihe bakın). Bu ifade , 1970'lerde Standart Modelin formülasyonundan sonra çekiciliğini kaybetti , çünkü bu parçacıkların büyük bir kısmının, nispeten az sayıda temel parçacığın kombinasyonlarından kaynaklandığı düşünülebilir, ancak kompozit parçacıkların özelliklerinin hesaplanması Hala emekleme aşamasındadır ve Standart Modelin birçok parametresi, değerleri için tatmin edici bir açıklama bulamamıştır.

Büyük tarihler

1873 : Maxwell dört alanda önemli araştırmalar yapıyor: renkli görme, moleküler teori, elektrik ve manyetizma. Son ikisini tek bir teori olan elektromanyetizma ile birleştirmeyi başarır . Bu Maxwell teorisi , ışık dalgalarının bir boşlukta yayılmasını tanımlamayı ve teorik olarak sınırsız bir frekans spektrumunu tahmin etmeyi mümkün kılar .
1874 : George Stoney elektron teorisini geliştirdi ve kütlesini tahmin etti.
1895 : Röntgen, X ışınlarını keşfetti .
1896 : Becquerel keşfeder radyoaktiviteyi ait uranyum .
1897 : Thomson elektronu keşfeder ve atomun nötr yüklü bir varlık olarak tanımlandığı bir model yaratır (küçük negatif elektronlara sahip pozitif bir çekirdek içerir).
1898 : Marie ve Pierre Curie radyoaktif elementleri ayırır.
1900 : Planck , akkor bir cismin renk değişimlerini sıcaklığın bir fonksiyonu olarak yorumlamak ve bu problemle bağlantılı belirli matematiksel problemleri çözmek için bir hile öneriyor: radyasyon ölçülür (her frekans için, frekansa bağlı olarak enerji, değer veya kuantum paketleri).
1905 : Einstein , 1926'da "foton" olarak adlandırılacak olan kuantum ışığın bir parçacık gibi davrandığını öne sürer . Einstein'ın diğer teorileri, kütle ve enerjinin eşdeğerliğini , fotonların dalga-parçacık ikiliğini , eşdeğerlik ilkesini ve özel göreliliği açıklar .
1909 : Rutherford'un sorumluluğu altındaki Hans Geiger ve Ernest Marsden , ince bir altın tabakaya alfa parçacıkları gönderiyor ve bazen büyük saçılma açıları gözlemleyerek, atomun içinde pozitif yüklü, küçük ve yoğun bir çekirdeğin (çarpışma nadirdir) varlığını düşündürüyor. .
1911 : Rutherford , çekirdeğin Geiger ve Marsden tarafından gerçekleştirilen alfa saçılım deneyinin bir sonucu olarak var olduğu sonucuna vardı.
1913 : Bohr , kuantum varsayımlarına dayanarak atomik yapı teorisini inşa etti.
1919 : Rutherford, protonun varlığını kanıtladı.
1921 : Chadwick ve ES Bieler , protonlar arasındaki Coulomb elektrostatik itmeye rağmen, yüksek yoğunluklu bir kuvvetin çekirdeği birleşik tuttuğu sonucuna vardı .
1923 : Compton , x - ışınlarının kuantum (parçacık) doğasını keşfederek fotonların parçacıklar olduğunu doğruladı.
1924 : de Broglie , maddeyi oluşturan parçacıklar için dalga özellikleri önerdi.
1925 : Pauli , bir atomun içindeki elektronlar için dışlama ilkesini formüle etti . W. Bothe ve Geiger, atomik süreçlerde enerji ve kütlenin korunduğunu göstermektedir.
1926 : Schrödinger , kuantum sistemlerinin bozonlar için davranışını tanımlayan dalga mekaniğini geliştirdi . Born , kuantum mekaniğinin olasılıksal bir yorumunu verir. Lewis , ışık kuantumu için fotonun adını önerir.
1927 : β çürümesinin keşfi .
1928 : Dirac , elektron için göreceli dalga denklemini önerdi .
1930 : Pauli , enerjinin çürümede görünürdeki yok oluşunu yorumlamak için görünmez bir nötrinonun varlığını önerir .
1930 : Elektron, proton , nötron (çekirdekte), bozunmada nötrino , foton , elektromanyetik alanın kuantumu dahil temel parçacıklar .
1931 : Pozitronun keşfi ( Anderson ). Dirac, pozitronun da denklemiyle tanımlandığını keşfeder. ${\ displaystyle e ^ {+}}$
1932 : James Chadwick nötronu keşfetti . $değil$
1933 / 34 : Fermi formül teorisi β çürüme ( zayıf etkileşim ): Örn. . ${\ displaystyle n \ ila p + e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e}}$
1935 : Yukawa , mezonlarla ilgili hipotezini formüle etti : Nükleer kuvvet, büyük parçacıkların, mezonların değişiminden kaynaklanıyor.
1937 : lepton µ'nun keşfi . Yukawa mezonları için kabaca beklenen kütleye sahip olmasına rağmen, bu rolü oynayacak kadar madde ile yeterince güçlü etkileşime sahip değildir.
1938 : Baryonik sayının korunumu yasasının beyanı .
1946 tarihli / 1947 : Discovery meson yüklü , pim ( Powell, 1935 yılında tahmin edilen), β parçalanması ile üretilir: . ${\ displaystyle \ pi ^ {\ pm}}$ $\ mu$ ${\ displaystyle \ pi ^ {+} \ ila \ mu ^ {+} + \ nu _ {\ mu}}$
1946 tarihli / , 1950 : elektromanyetizma Kuantum Teorisi (QED) ( Feynmann , Schwinger ve Tomonaga ).
1948 : Yapay üretim . ${\ displaystyle \ pi ^ {+}}$
1949 : Keşfi . ${\ displaystyle K ^ {+}}$
1950 : Nötr pion keşfi . ${\ displaystyle \ pi ^ {0} \ ila \ gamma + \ gamma}$
1951 : " V " deki olayların keşfi : parçacıkların parçalanması ve "garip" uzun bir ortalama ömre sahip olması. Bu, güçlü ve elektromanyetik etkileşimlerle korunan yeni bir kuantum sayısı , "tuhaflık" olarak yorumlanır. ${\ displaystyle K ^ {0}}$ ${\ displaystyle \ Lambda}$
1952 : Discovery Ô (uyarılmış hal nükleonun ).
1954 : Yang ve Mills, Abelian olmayan ayar teorileri önerdi .
1955 : Antiproton'un keşfi ( Chamberlain ve Segrè ). ${\ displaystyle {\ bar {p}}}$
1956 : Lee ve Yang , zayıf kuvvetin parite ihlaline neden olabileceğini öne sürüyor .
1956 : Chien-Shiung Wu ve Amber tarafından 60 Co atomlarında parite ihlalinin keşfi .
1960 / 1970 : parçacıkların yüzlerce "temel" Keşfi ${\ displaystyle (\ rho, ~ \ omega, ~ K ^ {\ ast}, ~ \ Sigma, ~ \ Xi, ~ \ ldots)}$
1961 : Murray Gell-Mann , tüm bu parçacıkları sınıflandırmak için "sekiz katlı yol" SU (3) 'u önerdi.
1962 : İki nötrino keşfi ve . ${\ displaystyle \ nu _ {\ mu}}$ ${\ displaystyle \ nu _ {e}}$
1964 : SU (3) tarafından sınıflandırmanın temeli olabilecek kuarkların ve ( Gell-Mann ve Zweig tarafından öne sürülen ) bileşenleri. ${\ displaystyle u, ~ d}$ $s$
1964 : Yeni kuark , önerilir. ${\ displaystyle c}$
1964 : Cronin , Fitch , Christenson ve Turlay tarafından sistemlerde CP ihlalinin keşfi . ${\ displaystyle K ^ {0} - {\ bar {K}} ^ {0}}$
1965 : Kuantum renk sayısı önerildi: Gözlenen tüm parçacıklar nötr renktedir. Bu yüzden renkli kuarkları gözlemleyemiyoruz.
1967 : Glashow , Salam ve Weinberg , elektromanyetik ve zayıf kuvvetlerin birleşmesi için bir plan önerdiler. Varoluş Tahmin Higgs bozonunun ve ağır bozonlar , ve bugüne kadar bilinen temel parçacık kat daha onlarca daha büyük. ${\ displaystyle Z ^ {0}}$ ${\ displaystyle W ^ {\ pm}}$
1968 - 1969 : SLAC , nükleonun nokta yapısını tespit etti.
1973 : Renkli parçacıklar (QCD) arasındaki güçlü etkileşimler teorisinin açıklaması. Gluonların varlığının tahmini .
1973 : Asimptotik özgürlük varsayıldı.
1974 : Keşfi ve içeren parçacıklar tılsımlı kuark de, Stanford Üniversitesi ve Brookhaven .J/ψ{\ displaystyle J / \ psi} ${\ displaystyle c}$
1976 : Üçüncü bir yüklü leptonun keşfi ,. ${\ displaystyle \ tau ^ {-}}$
1976 : Büyülenmiş mezonun keşfi ve kuarkın varlığının doğrulanması . ${\ displaystyle D ^ {0}}$ ${\ displaystyle c}$
1978 : Beşinci kuarkların Keşif, alt de, Fermilab'da . ${\ displaystyle b}$
1979 : DESY'de bir gluon gösterisi .
1983 : Keşif ait ve de CERN'e . ${\ displaystyle Z ^ {0}}$ ${\ displaystyle W ^ {\ pm}}$
1990 : dağılması çalışma LEP Nötrinoların sayısı "hafif" (diğer bir deyişle gösterir (CERN) GeV ) 3 ile sınırlıdır. ${\ displaystyle Z ^ {0}}$ ${\ displaystyle m \, <\, 45}$
1995 : altıncı kuark Keşif, en az, Fermilab'da . $t$
1998 : Süper Kamiokande'de sıfır olmayan kütleli nötrinoların varlığının kanıtı .
2012 : CERN'in LHC'sindeki ATLAS ve CMS deneyleri , bir birim içinde 126 GeV / c 2 kütleli Higgs bozonuna benzeyen bir bozonu keşfetti .

Atom altı parçacıkların sınıflandırılması

Temel parçacıklar, özelliklerine göre farklı alt kategorilere ayrılabilir.

Leptonlar , hadronlar ve kuarklar

Leptonlar

Lepton (kendi kütleleri nispeten küçük olduğu için bu ismi Yunan Leptos Hafif itibaren) şu özellikler ile karakterize edilir:

Güçlü etkileşim eksikliği ( renk giymezler ).
Tamsayı elektrik yükleri (elektron yükünün katları).
"Zayıf" yük, onları zayıf etkileşim ikilileri adı verilen çiftler halinde gruplandırır .
Fermi-Dirac istatistiğine itaat (bunlar fermiyonlardır ).

Bilinen üç lepton çifti, aileleri veya nesilleri şunlardır:

${\ displaystyle e ~ - ~ \ nu _ {e}}$ (elektron ve nötrinosu)
${\ displaystyle \ mu ~ - ~ \ nu _ {\ mu}}$ (müon ve nötrinosu)
${\ displaystyle \ tau ~ - ~ \ nu _ {\ tau}}$ (tau ve nötrinosu)

Hadronlar

Hadronlar (dan Yunan hadros , "büyük, kalın"), aşağıdaki özellikler ile karakterize edilir:

Güçlü etkileşimin varlığı ( kuarkları ve gluonları birbirine bağlayan güçlü renk etkileşiminden ayırt etmek için "artık" olarak adlandırılır).
Tamsayı elektrik yükleri (elektron yükünün katları).
Zayıf etkileşimler.
Kuarklardan anayasa.

Hadronlar bu nedenle temel parçacıklar değil, kuarkların bağlı halleridir. 200'den fazla var.İki gruba ayrılabilirler: özel bir kuantum sayısını (baryonik sayı) ilişkilendirdiğimiz baryonlar (Yunan barusundan , ağır), esasen üç kuarktan oluşur ve mezonlar, ( Yunan mezosundan , "orta" dan) hadronlar arasındaki güçlü "artık" etkileşimlerden sorumludur ve bunlara, bir kuark ve bir antikuarktan oluştukları için baryonik 0 sayısı verilmiştir.

İşte en sık gözlenen hadronlar ( spin 1/2 baryonları, spin 0 mezonları ve spin 3/2 baryonları) - bu şekillerde, aşağı doğru yönlendirilmiş dikey eksen garipliği S , yatay eksen I 3 verir . izospin bileşeni ve eğik eksen Q elektrik yükü; parçacıklar pembe dairelerle temsil edilir ve sembol (ler) i yan yana görünür; ikiye bölünmüş daireler, karşıt olarak gösterilen ve bu diyagramlarda gösterilmeyen, özellikle kütleleri olmak üzere çeşitli özellikleriyle farklılık gösteren iki parçacığı temsil eder. Son olarak, ana kuark içeriği her dairenin içinde belirtilmiştir:

Baryonları 1/2 döndürün

Oldukça benzer 8 baryon "Byte". Bu, bileşen kuarklar arasındaki simetri özelliklerine karşılık gelir ve özellikle iki merkezi eleman Λ 0 ve Σ 0 arasındaki kütle farkında yansıtılır .

Baryon baytı ( 1/2 dönüş )

Gariplik 0	${\ displaystyle n, ~ p}$	nötron ve proton (nükleonlar)
Gariplik 1	${\ displaystyle \ Sigma ^ {-}, ~ \ Sigma ^ {0}, ~ \ Sigma ^ {+}}$	3 Sigma
Gariplik -1	${\ displaystyle \ Lambda ^ {0}}$	1 Lambda
Gariplik 2	${\ displaystyle \ Xi ^ {-}, ~ \ Xi ^ {0}}$	2 Xi

Spin mezonları 0

Oldukça benzer 9 mezonun bu "nonet" i, 8'lik bir "bayt" ve bir "tekli" olarak bölünmüştür.

Nonet mezonlar ( spin 0 )

Gariplik -1	${\ displaystyle K ^ {0}, ~ K ^ {+}}$	2 kaon
Gariplik 0	${\ displaystyle \ pi ^ {-}, ~ \ pi ^ {0}, ~ \ pi ^ {+}}$	3 piyon
Gariplik 0	$\ eta$	2 eyalet
Gariplik +1	${\ displaystyle K ^ {-}, ~ {\ bar {K}} ^ {0}}$	2 anti kaon

Baryonları döndürün 3/2

Burada, dekupletin üyeleri arasındaki simetri daha çarpıcıdır: Q elektrik yükünün ekseni, bir sabit dışında , u kuarklarının sayısına, S tuhaflığının s kuark sayısına ve üçüncüsüne karşılık gelir. eksen, izsiz, önceki iki arasında, kuarkların sayısı ile açıortay d .

Baryon dekupleti ( dönüş 3/2 )

Gariplik 0	${\ displaystyle \ Delta ^ {-}, ~ \ Delta ^ {0}, ~ \ Delta ^ {+}, ~ \ Delta ^ {++}}$	4 Delta
Gariplik 1	${\ displaystyle \ Sigma ^ {* -}, ~ \ Sigma ^ {* 0}, ~ \ Sigma ^ {* +}}$	3 heyecanlı Sigma
Gariplik 2	${\ displaystyle \ Xi ^ {* -}, ~ \ Xi ^ {* 0}}$	2 Xi heyecanlı
Gariplik 3	${\ displaystyle \ Omega ^ {-}}$	1 Omega

Kuarklar

Quarks gözlenen parçacıkları oluşturan temel parçacıklardır.

Güçlü bir şekilde etkileşirler (güçlü etkileşime tabidir)
Kesirli elektrik yükleri taşırlar.
Düşük bir yüke sahiptirler ve zayıf etkileşim ikilileri oluştururlar.
Ayrıca , güçlü bir etkileşime girdikleri bir renk yükü (3 olası renk, üçüzdür) ile ilişkilidirler .
Fermi-Dirac istatistiğine uyarlar (bunlar fermiyonlardır ).

Altı tipleri veya var tatlar : kuark yukarı , aşağı , garip , çekicilik , üst ve alt (veya gerçeği ve güzelliği tarihsel nedenlerden dolayı). Leptonlar gibi, kütleleri dışında karbon kopya olan çiftler halinde gruplanabilirler.

Kuark sınıflandırması

Kuarklar		Antiquarklar
S = 2/3	Q = -1/3	Q = -2/3	Q = 1/3
$\ mathbf {u}$ (yukarı)	$\ mathbf {d}$ (aşağı)	$\ mathbf {\ bar {u}}$ (anti-up)	$\ mathbf {\ bar {d}}$ (anti-down)
$\ mathbf {c}$ (çekicilik)	$\ mathbf {s}$ (garip)	$\ mathbf {\ bar {c}}$ (çekicilik karşıtı)	$\ mathbf {\ bar {s}}$ (garip olmayan)
$\ mathbf {t}$ (üst)	$\ mathbf {b}$ (alt)	$\ mathbf {\ bar {t}}$ (anti-top)	$\ mathbf {\ bar {b}}$ (anti-dip)

Genel olarak, kuark ve lepton ailelerinin akraba olduğundan şüphelenilmektedir; her biri üç tane var. 2007'de sadece simetri argümanlarının bu iddiayı desteklediği görülüyor.

Gluons

Gluonlar birlikte kuark bağlanarak hadronlar sahip temel parçacıklardır.

Güçlü etkileşim içindedirler (güçlü etkileşimin taşıyıcıları)
Elektriksel olarak nötrdürler.
Zayıf bir etkileşimleri yoktur.
Ayrıca bir renk yükü ile ilişkilendirilirler (8 olası renk, bir bayttır) ve bu nedenle güçlü bir etkileşime girerler.
Bose-Einstein istatistiğine uyarlar ( bozonlardır ).

Tüm kuark türleri veya lezzetleriyle etkileşime giren yalnızca sekiz gluon vardır , aynı zamanda kendileri de renkli oldukları için birbirleriyle etkileşime girer . Bu, hesaplamaları matematiksel olarak çok karmaşık hale getirir, bu nedenle teori resmi olarak bilinmesine rağmen parçacıkların mimarisindeki ilerlemenin çok yavaş olduğu gerçeği.

Nedeniyle renkli olan güçlü etkileşim, kuark ve gluonların, yoğunluğuna, maruz renk tutulmasını da izole gözlenen edilemez olan araçlar. Yalnızca tüm renklerin birbirini kaydırdığı kombinasyonlar ( beyaz kombinasyonlar ) serbest hadronlar oluşturabilir.

Üç ailenin varlığı

Temel parçacıklar kümesi üç aileye ayrılabilir gibi görünüyor (bu üç sayısı , standart modelin temel bir parametresidir, kuarklar tarafından taşınan renklerin sayısı ile karıştırılmamalıdır, başka bir temel parametre):

Bozonlar ve fermiyonlar

Kuantum mekaniği, bir parçacığın içsel açısal momentumu olan spin kavramını sunar . Katları olan değerleri alabilir . Ayrıca, parçacığın tabi tutulduğu istatistik türünü de belirler. ${\ displaystyle \ hbar / 2 = h / 4 \ pi}$

Bozonlar : Bose-Einstein istatistiğine uyan tamsayı spin ( ) parçacıklarıdır , yani 1 ve 2 indisleri ile gösterilen iki özdeş bozondan oluşan bir sistem, altında simetrik olan bir fonksiyon dalgası ile tanımlanır. parçacıkların birbirleri ile: . ${\ displaystyle 0, ~ \ hbar, ~ 2 \ hbar, ~ 3 \ hbar, ~ \ ldots}$ ${\ displaystyle \ psi _ {12} = + \ psi _ {21}}$

Fermiyonlar : Fermi-Dirac istatistiğine uyan yarım tamsayı spinli ( ) parçacıklardır , yani indis 1 ve 2 ile gösterilen iki özdeş fermiyondan oluşan bir sistem, parçacıkların değişimi altında antisimetrik olan bir dalga fonksiyonu ile tanımlanır: . Özellikle, iki fermiyon aynı durumda olamaz, aksi takdirde bu ilişki onların dalga fonksiyonunun sıfır olacağını gösterir, bu da saçmadır ( Pauli dışlama ilkesi ). ${\ displaystyle \ hbar / 2, ~ 3 \ hbar / 2, ~ 5 \ hbar / 2, ~ \ ldots}$ ${\ displaystyle \ psi _ {12} = - \ psi _ {21}}$

Parçacıklar ve antiparçacıklar

Kavramı antiparçacık önerdiği Paul Dirac içinde 1928 . Onun adını taşıyan denklemin bazı çözümleri negatif enerji taşıyor gibi görünüyor. Dirac, bu çözümleri şu şekilde yorumladı: Aslında boş alan, tüm bu çözümlerin kümesidir. Bu çözümlerden birinin temsil ettiği boşluğun bir kısmına yeterince enerji getirilirse, pozitif enerji çözümü olur ve yerini boş bırakır. Bu pozitif enerji çözümünün boş bıraktığı delik, bir negatif enerji parçacığı olarak görünür ve özellikleri (örneğin elektrik yükü) normal çözümlerinkine zıttır. Buna karşı parçacık denir.

Bu nedenle bir antiparçacık şu şekilde karakterize edilir:

ilişkili parçacığınkine zıt bir yük ve kuantum sayıları;
karşılık gelen parçacığınkiyle aynı olan bir kütle ve bir ömür.

Geleneksel olarak, antiparçacık, yalnızca yüküyle ayırt edilemediğinde yararlı olan bir üst çubukla belirtilir. Örneğin şöyle yazabiliriz: ${\ displaystyle {\ overline {e ^ {-}}} ~ = ~ {\ bar {e}} \, ^ {+} ~ = ~ e ^ {+}}$

Etkileşimler ve alanlar

Klasik mekanik ve kuantum alan teorisi bu etkileşimleri yazmaya geldiğinde farklı yaklaşımlar var.

Klasik mekanikte, parçacık 2'nin konumunda bir parçacık 1 tarafından üretilen bir alan olduğunda, ikincisi bu alanın değeri ile etkileşime girer.
Kuantum alan teorisinde, etkileşim, bir kuantum değişimi olarak yorumlanır. Kuantum sayılarının ve dörtlü momentumun korunumu yasalarına uyar. Bu , Heisenberg'in belirsizlik ilkesinin sınırları içindeki dalga denklemine uyar :

${\ displaystyle \ Delta E \ times \ Delta t \,> \, \ hbar}$ ve ${\ displaystyle \ Delta x \ times \ Delta p \,> \, \ hbar}$

Geçici durumlar "sanal" olarak adlandırılır, örneğin, sanal bir foton bir dörtlü darbeye sahip olabilir, öyle ki : eğer sınırlıysa, enerji sadece sapmalar dahilinde korunur . ${\ displaystyle p ^ {2} \ neq 0}$ $\ Delta t$ ${\ displaystyle \ Delta E ~ \ sim ~ \ hbar / \ Delta t}$

Elektromanyetik etkileşim

Elektromanyetik etkileşim aşağıdaki özelliklerle karakterize edilir:

elektrik yüklü parçacıkları devreye sokmak;
bağlantı ; ${\ displaystyle \ alpha = e ^ {2} / 4 \ pi \ hbar c \ epsilon _ {0} \ yaklaşık 1/137}$
etkileşim süresi ve / veya 10-20 sn'lik tipik ortalama ömür ;
Tipik kesitleri ≈ 10 -33 m 2 ;
foton değişimi ( ); $\gama$
${\ displaystyle m _ {\ gamma} = 0}$ , bu nedenle kapsam (belirsizlik ilkesinin sonucu). ${\ displaystyle R ~ = ~ \ infty}$

Zayıf etkileşim

Zayıf etkileşimin tipik belirtileri şunlardır:

Nötronun β bozunması, örn. ; $n \ ila p + e ^ {-} + {\ bar {\ nu}} _ {e}$
Antinötrinoların yakalanması, örn. ; $p + {\ bar {\ nu}} _ {e} \ ila n + e ^ {+}$
Hadronik bozunmalar zayıf, elektromanyetik veya güçlü etkileşimlerden geçebilir, ancak özellikleri bozulma moduna bağlı olarak farklılık gösterir:

Hadron bozunmasının modları

		Etkileşimler
		zayıf ( ) $\ Sigma ^ {-} \ ila n + \ pi ^ {-}$	elektromanyetik ( ) $\ Sigma ^ {0} \ to \ Lambda + \ gamma$	güçlü ( ) $\ Delta ^ {++} \ ila p + \ pi ^ {+}$
Reaksiyon	$\ Delta S$	1	0	0
	$\ Delta I$	1/2	1	0
	$\ tau$	10 −10 s	10 -19 s	5 × 10 −24 sn

tuhaflık kuantum sayısının, izotopik dönüşün değişimi nerede ve etkileşimlerin ortalama ömrü veya süresidir. Güçlü etkileşim S ve I'yi , elektromanyetik S'yi tutmalı , ama I değil ve zayıf olanı da tutmamalı. Dolayısıyla bir veya diğerinin sürece hakim olma olasılığı. $\ Delta S$ $\ Delta I$ $\ tau$

Zayıf etkileşimler daha sonra aşağıdaki özelliklerle karakterize edilir:

nötrinoları veya tadı değiştiren kuarkları, yani "zayıf yüklü" parçacıkları devreye sokmak;
Düşük kuplaj (geniş protonlar) ; $\ alpha _ {\ mathrm {Fermi}} = G_ {F} m_ {p} ^ {2} / 4 \ pi (\ hbar c) ^ {3} \ yaklaşık 10 ^ {- 6}$
etkileşim süresi ve / veya 10 −8 s'lik tipik ortalama ömür ;
kesiti ≈ 10 -44 m 2 ;
bozonların değişimi W ± (yüklü akımlar) ve Z 0 (nötr akım);
m W = 80 GeV, dolayısıyla aralık R = 10 −18 m (hala belirsizlik ilkesi).

Elektromanyetik ve zayıf (elektrozayıf) etkileşimler Glashow - Weinberg - Salam ( 1967 ) modelinde birleştirilmiştir . Ancak düşük enerjide simetri bozulur ve iki kuvvet oldukça farklı görünür. Zayıf etkileşimler zayıf kuplaj gr içeren W ve alışverişi bozonlarının B ± ve Z, 0 . Zayıf reaksiyonlar, formun olasılık genliği ile karakterize edilir:

Genlik ≈ g 2 W / (q 2 - M 2 W, Z )

burada q 2 , kuantum değişimi ile aktarılan dört darbenin karesidir .

Q 2 → 0 limitinde , Glashow-Weinberg-Salam teorisi, dört parçacığı içeren etkileşimlerin geçici olduğu ve sabit Fermi olan F'nin G kuvveti olduğu zayıf etkileşimler Fermi (1935) teorisine indirgenmiştir . $G_ {F} / (\ hbar c) ^ {3} =$ ${\ displaystyle 1 {,} 1 \ times 10 ^ {- 5} ~ \ mathrm {GeV} ^ {- 2}}$

Glashow-Weinberg-Salam modeli, Fermi teorisine göre yeniden normalleştirilebilir olma avantajına , yani yüksek enerjide (W ve Z kütlelerinde ve üzerinde) hesaplanabilir bir davranışa sahip olma avantajına sahiptir .

Aynı zamanda kuvvetlerin birleşmesi örneğidir (zayıf ve em).

Elektro zayıf etkileşim

Elektrik etkileşme etkileşim birleştirir elektromanyetik ve zayıf bir etkileşim olduğunu.

Güçlü etkileşim

Güçlü etkileşim, yüksek enerjili hadron çarpışmalarında yaygındır . Temel düzeyde kuarklar ve gluonlar arasındaki etkileşimleri içerir . Bunları örneğin süresi yaklaşık τ = 10 −23 s olan çarpışmada buluruz . Güçlü etkileşimler aşağıdaki özelliklerle karakterize edilir: ${\ displaystyle K ^ {-} + p \ ila \ Sigma ^ {0}}$

bir renk yükü taşıyan parçacıkların değişimi (kuarklar ve / veya gluonlar);
çok güçlü eşleşme: α s ≈ 1;
etkileşim süresi ve / veya 10-23 sn'lik tipik ortalama ömür ;
≈ 10 tipik kesit -30 m 2 ;
kuarkların ve gluonların hapsedilmesi ;
asimptotik özgürlük ;
hapsetme nedeniyle etkili R = 10 −15 m menzili .

Yerçekimi etkileşimi

Şu anda fenomenoloji açısından tatmin edici bir kuantum yerçekimi teorisi yoktur , ancak süper sicim teorisi iyi bir adaydır ( ancak döngü kuantum yerçekimi, yerçekimini standart modelin diğer etkileşimleriyle birleştirmeyi önermemektedir ). Aksine, bir kütleçekimsel kuantum teorisinin aşağıdaki özelliklere sahip olması gerekir:

bir enerji kütlesine sahip olan ve dolayısıyla uzay-zaman ölçüsünü değiştiren (enerji-momentum tensörü) her şeyi içerir ;
atom altı seviyede çok zayıf bir kuplaja sahiptir: iki proton arasındaki tipik kuplaj a G = G N m 2 p / 4π = 4.6 × 10 −40 ;
bir spin 2 etkileşim bozonu olan graviton , metriğin kuantum dalgalanmasına karşılık gelir;
gravitonun sıfır kütlesi, yerçekimi sonsuz bir menzile sahip.

Özet tablosu

temel parçacıklar	fermiyonlar	leptonlar	Ücretli	elektron : ${\ displaystyle e ^ {-}}$
				müon : ${\ displaystyle \ mu ^ {-}}$
				tauon : ${\ displaystyle \ tau ^ {-}}$
			Nötrinolar	elektronik: ${\ displaystyle \ nu _ {e}}$
				müonik: ${\ displaystyle \ nu _ {\ mu}}$
				tauonik: ${\ displaystyle \ nu _ {\ tau}}$
		kuarklar	+2/3 şarj et	yukarı: $sen$
				çekicilik: ${\ displaystyle c}$
				üst : $t$
			Şarj -1/3	aşağı: ${\ displaystyle d}$
				garip: $s$
				alt / güzellik: ${\ displaystyle b}$
	bozonlar	ölçü bozonları	Elektromanyetizma	foton : $\gama$
			Zayıf etkileşim	Bozon Z : ${\ displaystyle Z ^ {0}}$
				Bozon W -: ${\ displaystyle W ^ {-}}$
				Bozon W +: ${\ displaystyle W ^ {+}}$
			Güçlü etkileşim	Gluon
		varsayımsal / doğrulanmış bozonlar	Yerçekimi	Graviton
			Şişirme	inflaton
			Int. düşük el	Higgs bozonu
bileşik parçacıklar ( hadronlar )	baryonlar ( fermiyonlar )	"Işık"	nükleonlar	nötron : $değil$
				proton : $p$
			Diğer	Delta: ${\ displaystyle \ Delta ^ {++} ~ \ ldots ~ \ Delta ^ {-}}$
				...
		hiperonlar	S = - 1	Lambda: ${\ displaystyle \ Lambda ^ {0}}$
				Sigma: ${\ displaystyle \ Sigma ^ {+}, \, \ Sigma ^ {0}, \, \ Sigma ^ {-}}$
			S = - 2	Xi: ${\ displaystyle \ Xi ^ {0}, \, \ Xi ^ {-}}$
			S = - 3	Omega: ${\ displaystyle \ Omega ^ {-}}$
		büyülü baryonlar C = 1	S = 0	Lambda-C: ${\ displaystyle \ Lambda _ {c} ^ {+}}$
				Sigma-C: ${\ displaystyle \ Sigma _ {c} ^ {++}, \, \ Sigma _ {c} ^ {+}, \, \ Sigma _ {c} ^ {0}}$
			S = 1	Xi-C: ${\ displaystyle \ Xi _ {c} ^ {+}, \, \ Xi _ {c} ^ {0}}$
			S = 2	Omega-C: ${\ displaystyle \ Omega _ {c} ^ {0}}$
		Baryons dip	B = 1	Lambda-B: ${\ displaystyle \ Lambda _ {b} ^ {0}}$
	mezonlar ( bozonlar )	"Işık"	S = 0	piyon : ${\ displaystyle \ pi ^ {+}, \, \ pi ^ {0}, \, \ pi ^ {-}}$
				eta : ${\ displaystyle \ eta ^ {0}}$
				rho : ${\ displaystyle \ rho ^ {+}, \, \ rho ^ {0}, \, \ rho ^ {-}}$
				phi : ${\ displaystyle \ phi ^ {0} ~ (s {\ çubuğu {s}})}$
			S = 1	kaon : ${\ displaystyle {\ bar {K}} ^ {0} \, (s {\ bar {d}}), ~ K ^ {-} \, (s {\ bar {u}})}$
		Charmed	"Görünür"	Meson D : ${\ displaystyle D ^ {+} \, (c {\ çubuğu {d}}), ~ D ^ {0} \, (c {\ çubuğu {u}})}$
			"Gizli"	Meson J / ψ : ${\ displaystyle J / \ psi ^ {0} \, (c {\ bar {c}})}$
		Alt	"Görünür"	Meson B : ${\ displaystyle B ^ {0} \, (b {\ çubuğu {d}}), ~ B ^ {-} \, (b {\ çubuğu {u}})}$
			"Gizli"	Meson upsilon : ${\ displaystyle \ Upsilon ^ {0} \, (b {\ çubuğu {b}})}$
	ve diğerleri ...

Standart Model

Temel parçacıkların mevcut sınıflandırma durumuna " standart model " denir .

Temel kuvvetleri açıklar : ayar bozonları olarak bilinen aracı bozonları kullanarak güçlü , zayıf ve elektromanyetik . Ayar bozonları sırasıyla gluonlar , W ± ve Z bozonları ve fotondur .

Model ayrıca maddenin bileşenleri olan 12 temel parçacığı içerir : kuarklar , leptonlar ve onların karşıt parçacıklarından oluşan fermiyonlar ailesi .

Ayrıca Higgs bozonu olarak bilinen bir tür bozonun varlığını da tahmin ediyor .

Madde ile ana etkileşimler

Doğalarına ve enerjilerine bağlı olarak, parçacıklar madde ile farklı şekillerde etkileşime gireceklerdir. Bu etkileşimler aşağıdaki gibidir:

Yüklü parçacıklar

Hafif parçacıklar: elektronlar, pozitronlar

Bremsstrahlung (fren radyasyonu), 10 MeV üzerinde baskın.
Atomlarla esnek olmayan difüzyon (elektronik alay).
Çekirdeklerle elastik difüzyon .
Çerenkov radyasyonu .
Nükleer reaksiyonlar (düşük katkı).

Ağır parçacıklar: müonlar, protonlar, alfa, pionlar

Atomlarla esnek olmayan saçılma (baskın etkileşim türü).
Çekirdeklerle elastik difüzyon : az enerji aktarılır, çünkü parçacıklar çekirdekten daha hafiftir.
Çekirdeklerin radyasyonunun elastik bir durumda toplanması ve Cherenkov tipinin baskın etkileşimi ile sözde para-statik difüzyon.
Çerenkov radyasyonu .
Nükleer reaksiyonlar.
Bremsstrahlung .

Yüksüz parçacıklar

Fotonlar

Yolları boyunca sürekli olarak enerjilerini biriktiren yüklü parçacıkların aksine, fotonların etkileşimleri yerelleştirilmiştir.

Bir ortamı geçtiklerinde, fotonlar etkilenmeden belirli bir mesafeyi geçer ve ardından aşağıdaki etkileşimlerle aniden enerji bırakırlar:

Fotoelektrik etki .
Compton Difüzyonu .
Çiftlerin oluşturulması . ${\ displaystyle e ^ {-} e ^ {+}}$
Nükleer reaksiyonlar (düşük katkı).

Bir etkileşim üretme olasılığı yörünge boyunca sabittir ve bu nedenle hayatta kalan fotonların sayısı, kat edilen mesafe boyunca geometrik (üstel) serilerde azalır.

Bir x mesafesini geçtikten sonra kalan foton fraksiyonu, e -µx'tir, burada µ, cm- 1 olarak ifade edilen soğurma katsayısıdır . Malzemenin çeşitli bileşenleri için farklı etkileşimlerin soğurma katsayılarının toplamıdır.

Emme daha uygun kütle olarak değiştirgelenebilen zayıflama katsayısı μ / ρ ifade cm 2 / g emici malzemenin yoğunluğu r önemli ölçüde bağımsız ve bileşimine sadece bağlı olarak.

Nötronlar

Elastik difüzyon ;
Esnek olmayan difüzyon ;
Nükleer yakalama ;
Nükleer reaksiyonlar : (n, 2n), (n, α), (n, xn), (n, p);
Nükleer fisyon .

Nötrinolar

Elektrozayıf etkileşimler ( leptonların yaratılması ). Düşük enerjide çok zayıftırlar, enerjinin bir fonksiyonu olarak hızla büyürler.

Partikül üretimi ve tespiti

Parçacık çalışmaları, radyoaktif maddeler tarafından yayılan radyasyon çalışması ve TPN ile birkaç temel parçacığın tespitine izin veren taşınabilir veya masa üstü parçacık dedektörleri ile başladı . Diğer parçacıkları tespit etmek için enerji seviyesini değiştirmelisiniz.

Her şeyden önce, atmosferi geçmenin neden olduğu bozulmayı azaltmak için rakımda kozmik ışınların gözlemlenmesine başvurduk . Bu, detektörleri önemli ölçüde iyileştirmeyi mümkün kıldı, çünkü az sayıdaki ilginç kozmik ışınları hesaba katarak yüzeylerini arttırmak gerekiyordu. Daha sonra , enerji seviyesi kademeli olarak artırılan homojen ve iyi kalibre edilmiş bir parçacık demeti sağlayan parçacık hızlandırıcıların yapımına döndük. Aynı zamanda, bu şekilde üretilen parçacıkların etkileşimlerini incelemek için detektörler ilerlemiştir.

Şu anda, parçacık fiziği deneyleri, istenen deney türüne özgü dedektörler oluşturmaktan ve bunları yine güçlü uluslararası işbirlikleriyle inşa edilen hızlandırıcıların yanına kurmaktan sorumlu olan uluslararası işbirliklerindeki ekipler tarafından yürütülmektedir.

Başlıca uluslararası hızlandırıcı siteler şunlardır:

CERN yakın Fransız-İsviçre sınırında bulunan (Avrupa Nükleer Araştırma Örgütü), Cenevre . Ana ekipmanı, LHC'ye hizmet eden dairesel bir hızlandırıcı olan Süper Proton Senkrotron ve birkaç deney, şu anda sökülmüş olan büyük bir elektron ve pozitron çarpıştırıcısı olan LEP ve ayrıca büyük bir proton çarpıştırıcısı olan LHC , Eylül 2008'de kuruldu. eski LEP tünelinde.
DESY bulunan (DESY), Hamburg içinde, Almanya . Ana tesisi, elektronlar veya pozitronlar ve protonlar arasındaki çarpışmaların neden olduğu HERA'dır.
SLAC yakınında bulunan (Stanford Doğrusal Hızlandırıcı Merkezi) Palo Alto içinde, Birleşik Devletler . Ana tesisi PEP-II'dir (elektron ve pozitron çarpışmaları).
Fermilab'ın yakınında bulunan veya fnal (Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı), Chicago Amerika Birleşik Devletleri'nde. Ana kurulumu Tevatron'dur (protonların ve antiprotonların çarpışması).
Brookhaven Ulusal Laboratuvarı üzerinde bulunan veya BNL, Long Island , ABD. Ana tesisi, altın iyonları ve protonlar gibi ağır iyonlar arasındaki çarpışmaların incelendiği Göreceli Ağır İyon Çarpıştırıcısıdır .

Diğer birçok parçacık hızlandırıcı mevcuttur.

Notlar ve referanslar

Nicolas Arnaud, " Parçacık fiziğinde yeni bile olsa bilgi nasıl yayılır? ", Dossier pour la science , n o 85,Ekim-Aralık 2014

Ayrıca görün

Kaynakça

Temel parçacıklar (makale dizisi), Les Dossiers de la Recherche , n ° 23 - Mayıs-Temmuz 2006
Jean Iliopoulos, Beyond the standard model, Pour La Science , n ° 361, Kasım 2007, s. 90–96
Daniel Vignaud, De neutrinos en neutrinos, Pour La Science , n ° 361, Kasım 2007, s. 106–107