Мир элементарных частиц Ученые продолжают поиск ответа на вопрос: из каких частиц состоит вся материя? Путь «вглубь материи» не завершен… - презентация

1

2 Мир элементарных частиц Ученые продолжают поиск ответа на вопрос: из каких частиц состоит вся материя? Путь «вглубь материи» не завершен…

3

4 Как обнаружить элементарную частицу? Обычно изучают и анализируют следы (траектории или треки), оставленные частицами.

5 Самый большой в мире детектор элементарных частиц

6 Треки элементарных частиц в детекторе

7 Все частицы делятся на два класса: Фермионы, которые составляют вещество; Бозоны, через которые осуществляется взаимодействие. Фермионы подразделяются на лептоны и кварки.

8 Этапы в развитии физики элементарных частиц г.г. От электрона до позитрона – 1970г.г. От позитрона до кварков. От гипотезы о кварках (1964г) до «Великого объединения»,т.е. до наших дней

9 Протон нейтрон элементарные частицы Электрон Фотон Элементарная частица – микрообъект, который невозможно разделить на части, но может иметь внутреннюю структуру.

10 Элементарные частицы – «кирпичики мироздания», из которых состоит атом 1906г. Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома. 1913г. Нильс Бор объяснил излучение и поглощение энергии атомом водорода. 1931г. П. Дирак предсказал существование позитрона и аннигиляции электрона и позитрона при их взаимодействии.

11 Античастицы – частицы с одинаковой массой, но с противоположными знаками зарядов. При взаимодействии аннигилируют (исчезают)

12 АНТИЧАСТИЦЫ – это элементарные частицы, отличающиеся от соответствующих им частиц знаком электрического, барионного и лептонного зарядов, а также некоторых других характеристик. Массы частицы и античастицы строго одинаковы. Античастица чаще всего обозначается тем же символом, что и частица, но с тильдой наверху, например: «n~» – антинейтрон, но антиэлектрон (позитрон) обозначается «е+».Существует несколько частиц, которые в точности совпадают со своими античастицами (например, фотон).

13 Открытие первой античастицы – позитрона (1932г.) ПОЗИТРОН– элементарная частица с положительным зарядом, равным заряду электрона, с массой, равной массе электрона. Она является античастицей по отношению к электрону.

14 Электрон – позитронная пара возникает при взаимодействии γ-кванта с веществом. γ е - + е +

15 Фотографируя траекторию частиц космических лучей в камере Вильсона, Андерсон обнаружил трек, принадлежащий частице с массой e - (а), в магнитном поле частица двигалась по окружности r=(m e- v)/( e - B) (F л =F ц ); ее направление движения было неизвестно и зависело от знака заряда. + В

16 Для определения движения частицы Андерсон разместил на ее пути свинцовую пластинку толщиной 6мм, тормозившую частицу, r уменьшился (V), движение снизу вверх и обладает (+), т.е. античастица электрона – позитрон е+ В + +

17 АННИГИЛЯЦИЯ – это один из видов взаимопревращений элементарных частиц, в котором частица и соответствующая ей античастица превращаются в электромагнитное излучение.

18 Аннигиляция – процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которой они превращаются в γ-кванты (фотоны) или другие частицы. е - + е + 2 γ Один γ-квант не образуется т.к. одновременно должны быть выполнены законы сохранения импульса и энергии.

19 Все элементарные частицы превращаются друг в друга 1932г. Карл Андерсон «встретился» с позитроном Начиная с 1932 года было открыто более 400 элементарных частиц. Каждая элементарная частица имеет античастицу. 1969г.- В СССР получен антигелий

20 Элементарные частицы существуют в 2 х разновидностях: частицы и античастицы Античастицы(ā) – элементарная частица имеющая (по отношению к а) равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд. Первая античастица обноружена в 1932г. Американским физиком К. Андерсоном в космическом излучении.

21 Открытие античастиц В 1947г. – антипион 1955г. - антипротон 1956г. – антинейтрон Получены атомы антидейтерия, антитрития, антигелия. Истинно нейтральной частицей является фотон, совпадающий со своей античастицей.

22 Большинство элементарных частиц имеют сложную структуру 1963г. Мюррей Геллман и Джордж Цвейг предположили, что нуклоны состоят из кварков. 1969г. Кварки были обнаружены экспериментально

23 Структура атома

24 Кварковый состав протона и нейтрона

25

26 КВАРКИ – это точечные, бесструктурные образования, относящиеся к истинно элементарным частицам, которые были введены для систематизации многочисленных (более сотни) элементарных частиц, открытых в XX веке (электрон, протон, нейтрон и т.д.). Характерной особенностью кварков, не встречающейся у других частиц, является дробный электрический заряд, кратный 1/3 элементарного. Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии к успеху не привели.

27 Кварки имеют дробный электрический заряд u – кварк +2/3 е, d – кварк -1/3 е Протон uud, нейтрон udd При увеличении расстояния между ними сила притяжения неограниченно возрастает, при разрыве связи рождаются новые кварки и антикварки, которые могут объединиться в новые адроны.

28 Кварки

29 Кварки (цвет) Каждый аромат (тип) кварков может иметь три цветовых заряда: КРАСНЫЙ, ЗЕЛЕНЫЙ, СИНИЙ. Антикварки имеют антицвета, как бы нейтрализующие цвета: АНТИКРАСНЫЙ-ФИОЛЕТОВЫЙ, АНТИЗЕЛЕНЫЙ-КРАСНЫЙ, АНТИСИНИЙ- ЖЕЛТЫЙ. Цветные кварки образуют бесцветные комплексы

30 Характеристики кварков Цветовой заряд (цвет): красный, зеленый, синий. Аромат кварков: s - странный, c - очаровательный, b - красивый, t - правдивый Существуют 6 кварков и 6 антикварков, каждый из которых может иметь три цвета. Свободные кварки не наблюдаемы.

31 Гипотезы…

32 Кварки (аромат) Кварк (аромат) Заряд кварка Антикварк (аромат) Заряд антикварка u+2/3еũ-2/3е c+2/3еc̃-2/3е t+2/3еt̃-2/3е d-1/3еd̃d̃+1/3е s-1/3еs̃̃+1/3е b-1/3еb̃b̃+1/3е

33

34 С 1932г. Открыто более 400 элементарных частиц. Для классификации используют электрический заряд, спин (собственный момент количества движения), время жизни виды взаимодействия.

35 СПИН – это собственный момент импульса элементарной частицы. Имеет квантовую природу и (в отличие от момента импульса обычных тел) не связан с движением частицы как целого.

36 БОЗОНЫ Бозоны – частицы с целым спином 0, ħ, 2 ħ …(фотон, мезон) Для бозонов принцип Паули не существует, поэтому в одном энергетическом состоянии может находится любое число бозонов.

37 ФЕРМИОНЫ Фермионы – частицы с полуцелым спином: ħ /2, 3/2 ħ … (е -, р, n, v е- - электронное нейтрино) Для фермионов справедлив принцип Паули: в одном и том же энергетическом состоянии могут находится не более 2 х фермионов с противоположными спинами.

38 Виды взаимодействий ГРАВИТАЦИОННОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ СИЛЬНОЕ СЛАБОЕ Теория, которая дает единое объяснение сильному, слабому и электромагнитному взаимодействию, называют «Великое объединение». Ученые работают над созданием единой теории взаимодействий

39 Частицы летят навстречу друг другу…

40 Фундаментальные взаимодействия Сильное - взаимодействие между кварками (глюоны). Электромагнитное- взаимодействие между электрически заряженными телами. Слабое – взаимодействие между лептонами, а также между лептона и кварками (бозоны). Гравитационное – взаимодействие между всеми частицами (гравитоны).

41 Всего открыто более 364 элементарных частиц

42 Гравитационное – взаимодействие между всеми частицами (гравитоны).

43 НЕЙТРИНО – это легкая (возможно, безмассовая) электрически нейтральная частица, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях. Отличительное свойство нейтрино – огромная проникающая способность. Считается, что эти частицы заполняют все космическое пространство со средней плотностью около 300 нейтрино на 1 см 2.

44 Классификация элементарных частиц По отношению к сильному взаимодействию лептоны адроны (легкий) (большой) не участвуют участвуют 6 частиц, 6 античастиц 300 частиц

45 Лептоны

46 Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Лептоны – фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии (12 частиц – 6 частиц и 6 античастиц). Все лептоны – фермионы – полуцелый спин. В реакциях слабого взаимодействия лептонов участвуют лептон – нейтринные дублеты. Нейтрино всегда возникает в реакции вместе с определенным лептоном. Для выделения класса лептонов вводят квантовое число – лептонный заряд L. L=1 – для лептонов L=-1 – для антилептонов L=0 – для адронов

47 Структура адронов Адроны барионы мезоны кварки кварки и антикварки

48 Адроны имеют сложную внутреннюю структуру, но разделить их на части невозможно. Ряд элементарных частиц являются бесструктурными (фундаментальные) частицами – это частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

49 К классу адронов относится около 300 элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ, участвующие в сильном взаимодействии. Мезоны – бозоны со спином 0, ħ участвующие в сильном взаимодействии. Барионы – фермионы со спином ħ/2, 3/2ħ, участвующие в сильном взаимодействии. Барионы – нуклоны, гипероны

50 ПРОТОН Время жизни протона (10 31 лет) – стабильная частица, все другие адроны распадаются. Американские физики-теоретики Геллман и Цвейг предположили, что адроны являются составными частицами (т.к. их m > чем m лептонов).

51

52 Нуклоны Нуклоны (p,n) состоят из 3 х фундаментальных, электрически заряженных частиц, называемых кварками. Экспериментально подтверждено в 1969г. При рассеянии е - с энергией 20ГэВ на протонах и нейтронах. Было обнаружено пространственное распределение электрического заряда в нуклоне

53 ГИПЕРОНЫ это элементарные частицы, относящиеся к классу барионов наряду с нуклонами (протон, нейтрон). Гипероны более массивны, чем нуклоны, и имеют отличную от нуля характеристику элементарных частиц, называемую странностью.

54 Любое взаимодействие обусловлено обменом частиц. В 1956г. Американский физик Швингер предположил, что переносчиком слабого взаимодействия являются 2 заряженных промежуточных векторных бозона W + и W -. В 1961г. – американский физик открыл Глэшоу отрицательный и нейтральный бозон. Бета – распад происходит с участием W- бозона. Сначала нейтрон распадается на протон и W -, затем промежуточный бозон W - распадается на е - и v е.

55

56 Фундаментальные частицы – кварки и лептоны. Кварки (в сильном взаимодействии), лептоны (не участвующие в сильном взаимодействии) образуют начальный уровень материи Вселенная состоит из 48 фундаментальных частиц

57 Стандартная модель элементарных частиц

58 Фундаментальные частицы 6лептонов и 6 антилептонов 18 кварков( 6 кварков 3 цветов) и 18 антикварков 13 переносчиков различных видов взаимодействий Многие физики еще «в пути»!

59 Линейный ускоритель

60 Большой линейчатый ускоритель

61 Ускоритель элементарных частиц

62 Элементарные частицы могут путешествовать во времени Исследования при помощи уникального прибора – Большого адронного коллайдера – позволят ученым отправлять элементарные частицы в прошлое. Это следует из теории, которую в ближайшее время планируют проверить на этом крупнейшем в мире ускорителе, находящемся на территории Женевы.

63 Адронный коллайдер

64 Создание огромного адронного коллайдера в России

65 Ускоритель элементарных частиц

66 Физикам впервые удалось в течение относительно длительного времени удерживать атомы антивещества в специальной ловушке. Антиматерия - это "двойник" обычной материи с той разницей, что все частицы антивещества имеют противоположный знак заряда. При взаимодействии частиц вещества и антивещества происходит их взаимное уничтожение.

67 Американские физики, работающие с ускорителем частиц "Теватрон" в Национальной лаборатории им. Энрико Ферми, готовы объявить о сенсационном открытии. Возможно, им удалось обнаружить новую элементарную частицу или даже новый вид физического взаимодействия