Ядерная физика первое явление из области ядерной физики было открыто в 1896 г. Анри Беккерелем. Это естественная радиоактивность солей урана, проявляющаяся в самопроизвольном испускании невидимых лучей

Нейтральные лептоны (нейтрино) участвуют только в слабых взаимодействиях.
У всех лептонов (в отличие от адронов) не обнаружена внутренняя структура, поэтому их можно назвать точечными или истинно элементарными частицами.
Адронами называются частицы, участвующие в сильных, электромагнитных и слабых взаимодействиях.
Адроны, в свою очередь, подразделяются на мезоны и барионы.
Мезонами называются нестабильные заряженные или нейтральные адроны, обладающие нулевым или целочисленным спином, а потому принадлежащие к классу бозонов.
Сюда, например, относятся 0- и ± -мезоны, К± -мезоны.
Барионами называются адроны с полуцелым спином, а потому принадлежащие к классу фермионов и массами, не меньшими массы протона.
К ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и другие.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Протон и нейтрон – самые легкие барионы. Протон единственный стабильный (?) барион, все остальные барионы нестабильны и путем последовательных распадов превращаются в нуклоны и легкие частицы: -мезоны, электроны, нейтрино, γ-кванты.
Кварковая
модель адронов
Обилие уже открытых и вновь открываемых адронов наводит на мысль, что все они построены из каких – то других, более фундаментальных частиц.
350
В конце 60-х годов
ХХ века
... действительно
элементарны ?
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
... действительно
элементарных!
"т у з ы"
"к в а р к и"
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Всего ТРИ частицы !
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Верхний U
Нижний D
Странный S
Прекрасный B
Очарованный C
Высший (1995 г.)T
Семейство кварков
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
кварки
лептоны
Три
семейства
Все кварки имеют спин ½ (фермионы), барионный заряд 1/3 и дробный электрический заряд.
Кварки u, c, t называют верхними, так как они имеют дробный электрический заряд +2/3.
Остальные кварки d, s, b с электрическим зарядом – 1/3 принято называть нижними.
Полный набор всех квантовых чисел для каждого кварка носит название аромат. Таким образом, кварки имеют шесть ароматов.
Каждому кварку соответствует свой антикварк. Кварки являются «кирпичиками» адронов.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Кварковый состав
барионов
Спин бариона полуцелый, поэтому барионы состоят из нечетного (кроме одного) числа кварков.
В основном барионы состоят из трех кварков (частицы с большим нечетным числом кварков, например из пяти – пентакварк, относятся к разряду экзотических).
Рассмотрим случай, когда барион имеет спин равный 1/2 (когда спины двух кварков параллельны, а спин третьего направлен противоположно).
К таким частицам относятся, например, протон и нейтрон.
Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (p → uud), нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков (n → udd).
Их античастицы построены из антикварков:
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Кварковое строение
протон
+1
d
u u
Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
нейтрон
0
u
d d
Заряд составной частицы равен сумме зарядов кварков
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Кварковый состав
мезонов
Мезоны, обладая целочисленным спином (бозоны), построены из двух кварков: кварка и антикварка.
Наиболее легкие заряженные мезоны представляются комбинациями
Это -мезоны:
Нейтральный 0-мезон состоит также из кварка и антикварка.
Но здесь проявляется необычное свойство микромира – линейная суперпозиция структур (состояний).
0-мезон с равной вероятностью может находиться в состоянии
и в состоянии
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Формула для мезонов:
"кварк - антикварк"
ud
ud
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
++
+
о
–
*–
*о
*+
*о
*–
–
Семейство гиперонов
++
+
о
–
*–
*о
*+
*о
*–
–
Кварковая структура
dds
ddd
ddu
duu
uuu
uds
uus
ssd
ssu
sss
-1
+2
-1
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

S = 0
протон
+1
S=½h
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
0,0074
– 1/3
D -
0,0047
+ 2/3
U -
<10 - 8
0
0,00054
– 1
1
Частица
Семейство
Масса, МэВ
Заряд
Электрон
Электронное
нейтрино
кварк
кварк
Как видно из примеров, для создания вещества нашей респектабельной Вселенной достаточно одного семейства элементарных частиц.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Фундаментальные частицы материи
Построение вещества не ограничивает состояние материи, для этого необходимо, чтобы «кирпичики» вещества были погружены в «раствор», соединяющий их.
Этим «раствором» являются поля, обеспечивающие взаимодействие «кирпичиков». К частицам, ответственным за «раствор», относятся частицы – переносчики взаимодействия.
Каждому виду взаимодействия соответствует своя частица: глюон, фотон, векторные бозоны, гравитон (?).
Поэтому, в настоящее время, к «элементарным частицам», а лучше сказать к фундаментальным частицам материи относятся: кварки, лептоны (частицы вещества) и частицы полей – переносчики взаимодействия.
Описание взаимодействия элементарных частиц дает в настоящее время Стандартная модель, включающая в себя модель электрослабого взаимодействия Глэшоу – Вайнберга – Салама и квантовую хромодинамику.
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Частицы
вещества
и
Частицы
полей
кварки
лептоны
фотоны
глюоны
бозоны
гравитоны ?
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Кварки и глюоны
При создании бариона зачастую необходимо, чтобы два (или более) идентичных кварка находились в одном и том же состоянии. Омега-частица, например, состоит из трех s-кварков, причем все эти кварки должны находиться в одном и том же состоянии.
Это возможно только для частиц, которые подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна.
Кварки имеют полуцелый спин, но при этом они должны удовлетворять статистике, которой подчиняются частицы, имеющие целый спин.
Связь спина со статистикой являет собой непоколебимый принцип релятивистской квантовой механики. Его можно вывести непосредственно из теории, и его нарушений никогда не наблюдалось. Поскольку он справедлив для всех других известных частиц, то кварки невозможно исключить из области его господства.
Для выхода из этого тупика было предложено, что каждый аромат кварка имеет три разновидности, равные по массе, спину, электрическому заряду и всем прочим измеримым величинам, но различные по дополнительному свойству, которое стало известно под названием цвета.
Тогда можно было удовлетворить принципу исключения, и кварки могли оставаться фермионами, потому что в таком случае не все кварки в барионе занимали бы одно и то же состояние.
Название
необычного
свойства
предложил
Марри
Гелл-Ман
Почему "цвет" ?
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
К
О
Ж
З
Г
С
Ф
Открытие
И.Ньютона
Спектр:
Открытие
И.Ньютона
результат
сложения цветов
бесцветность
Основные цвета
с п е к т р а
B
Основные цвета
с п е к т р а
G
R
По аналогии:
красный
синий
зеленый
p
n



0
++
+
+
-
Только БЕЛЫЕ состояния
кварков являются реальными
частицами микромира
В составе протона
+ 1
.. белый и
стабильный!
Каждому
цветовому заряду
соответствует свой
антицветовый заряд
красный
антикрасный
синий
антисиний
зеленый
антизеленый
Антикварки
имеют противоположные
электрические
и цветовые
заряды
n
n
udd
udd
цвет
антицвет
В составе мезона
ud
+
p
"цветовой заряд"
обладает тремя
качествами
плюс
минус
Свойство
"электрический заряд"
имеет два качества
Сложение цветов
(цветовых зарядов)
определяется более
сложными правилами
квантовой хромодинамики
Квантовая
хромодинамика
Каков "механизм" передачи
цветовых взаимодействий?
кварк
кварк
F=?
Квантовая электродинамика
поясняет взаимодействие двух
электрических зарядов диаграммой
Ричарда Фейнмана
электрон
электрон
фотон
Обмен глюоном
кварк
кварк
кварк
кварк
глюон
ГЛЮОНЫ
"окрашенные" фотоны,
передающие цветовые
взаимодействия
глюоны
КВАРКИ
а
а
а
а
а
а
красный
антисиний
синий
антизеленый
антикрасный
зеленый
Глюонная
двухцветность:
цвет + антицвет
Испуская и поглощая глюон
кварк меняет цвет
синий
антизеленый
10-15 м
Почему кварки
"не вылетают"?
Асимптотическая свобода
r <<10-15 м
r >10-15 м
Инфракрасное
рабство
Пленение кварков
Быстрый рост сил
-15
10
м
F
R
На кварковых схемах
Е=10 23 эВ
1 м
103 кг
Глюон - нить
10-15 м
Е < 10 12 эВ
Достигнутая энергия частиц
Е=10 23 эВ
суперсила!
Хромодинамическая
сила - это
10 23 эВ
между
кварками
10 8 эВ
внутри ядер
10 4 эВ
внутри атома
1эВ
уровень
молекул
Энергии
связей:
«Сон», А.Руссо, 1910 г.
Разрушительная мощь
ядерных сил
10 8 эВ
10 23эВ
ЭНЕРГИЯ
КВАРК-ГЛЮОННЫХ
ЦВЕТОВЫХ СИЛ
НЕДОСТУПНА
10 23эВ
После
рождения
Вселенной
кварк -
глюонная
плазма
кварк -
глюонная
плазма
По мере расширения
Вселенной -
понижение
температуры
Кварки
сконденсировались
в адроны
Свободных
кварков
не осталось!
Ядерные силы
не являются
фундаментальными
силами природы
Аналогия:
нейтральные атомы -
бесцветные нуклоны
Нейтральные атомы притягиваются
друг к другу слабыми силами
Ван дер Ваальса
Бесцветные нуклоны
притягиваются
друг к другу
ядерными силами
Силы Ван дер Ваальса слабы
по сравнению с внутренними
электрическими
Ядерные силы, действующие
между нуклонами, тоже малы
по сравнению с цветовыми
Как и силы
Ван дер Ваальса,
ядерные силы
не являются
действительно
фундаментальными
Фундаментальные
взаимодействия:
Электрослабые
(между лептонами)
Сильные
(между кварками)
Фундаментальные
взаимодействия:
Фундаментальные
взаимодействия:
Гравитационные
(между всеми
частицами вещества)
Фундаментальные
взаимодействия: