Leçon n°67.

Sujet de la leçon: Problèmes de particules élémentaires

Objectifs de la leçon:

Éducatif: initier les élèves au concept de particule élémentaire, avec la classification des particules élémentaires, généraliser et consolider les connaissances sur les types fondamentaux d'interactions, se forger une vision scientifique du monde.

Éducatif: former un intérêt cognitif pour la physique, inculquant l'amour et le respect pour les réalisations de la science.

Éducatif: développement de la curiosité, capacité d'analyse, formuler des conclusions de manière indépendante, développement de la parole et de la pensée.

Équipement: tableau blanc interactif (ou projecteur avec écran).

Type de cours : apprendre du nouveau matériel.

Type de cours : conférence

Pendant les cours :

Étape organisationnelle

Étudier un nouveau sujet.

Dans la nature, il existe 4 types d’interactions fondamentales (de base) : gravitationnelles, électromagnétiques, fortes et faibles. Selon les idées modernes, l'interaction entre les corps s'effectue à travers les champs entourant ces corps. Dans la théorie quantique, le champ lui-même est compris comme un ensemble de quanta. Chaque type d'interaction a ses propres porteurs d'interaction et se résume à l'absorption et à l'émission des quanta de lumière correspondants par les particules.

Les interactions peuvent être à longue portée (se manifestant à de très longues distances) et à courte portée (se manifestant à de très courtes distances).

L'interaction gravitationnelle se produit par l'échange de gravitons. Ils n'ont pas été détectés expérimentalement. Selon la loi découverte en 1687 par le grand scientifique anglais Isaac Newton, tous les corps, quelles que soient leur forme et leur taille, s'attirent avec une force directement proportionnelle à leur masse et inversement proportionnelle au carré de la distance qui les sépare. L'interaction gravitationnelle conduit toujours à l'attraction des corps.

L'interaction électromagnétique est à longue portée. Contrairement à l’interaction gravitationnelle, l’interaction électromagnétique peut entraîner à la fois une attraction et une répulsion. Les porteurs de l'interaction électromagnétique sont les quanta du champ électromagnétique - les photons. À la suite de l'échange de ces particules, une interaction électromagnétique apparaît entre les corps chargés.

Une interaction forte est la plus puissante de toutes les interactions. Elle est de courte portée, les forces correspondantes diminuent très vite à mesure que la distance qui les sépare augmente. Le rayon d'action des forces nucléaires est de 10 à 13 cm

L'interaction faible se produit à de très courtes distances. Le rayon d’action est environ 1 000 fois inférieur à celui des forces nucléaires.

La découverte de la radioactivité et les résultats des expériences de Rutherford ont montré de manière convaincante que les atomes sont composés de particules. On a découvert qu'ils sont constitués d'électrons, de protons et de neutrons. Au début, les particules à partir desquelles les atomes sont construits étaient considérées comme indivisibles. C'est pourquoi on les appelait particules élémentaires. L'idée d'une structure « simple » du monde a été détruite lorsqu'en 1932 a été découverte l'antiparticule de l'électron - une particule qui avait la même masse que l'électron, mais qui en différait par le signe de la charge électrique. Cette particule chargée positivement était appelée positron... selon les concepts modernes, chaque particule possède une antiparticule. La particule et l'antiparticule ont la même masse, mais des signes opposés pour toutes les charges. Si l'antiparticule coïncide avec la particule elle-même, alors ces particules sont dites véritablement neutres, leur charge est 0. Par exemple, un photon. Lorsqu'une particule et une antiparticule entrent en collision, elles s'annihilent, c'est-à-dire qu'elles disparaissent et se transforment en d'autres particules (souvent ces particules sont un photon).

Toutes les particules élémentaires (qui ne peuvent pas être divisées en composants) sont divisées en 2 groupes : fondamentales (particules sans structure, toutes les particules fondamentales à ce stade de développement de la physique sont considérées comme sans structure, c'est-à-dire qu'elles ne sont pas constituées d'autres particules) et les hadrons ( particules à structure complexe).

Les particules fondamentales, à leur tour, sont divisées en leptons, quarks et porteurs d'interactions. Les hadrons sont divisés en baryons et mésons. Les leptons comprennent l'électron, le positron, le muon, le taon et trois types de neutrinos.

Les quarks sont les particules qui composent tous les hadrons. Participer à des interactions fortes.

Selon les concepts modernes, chacune des interactions résulte de l'échange de particules, appelées porteurs de cette interaction : un photon (une particule qui porte l'interaction électromagnétique), huit gluons (des particules qui portent l'interaction forte), trois intermédiaires bosons vectoriels W + , W− et Z 0, porteur de l'interaction faible, le graviton (porteur de l'interaction gravitationnelle). L'existence des gravitons n'a pas encore été prouvée expérimentalement.

Les hadrons participent à tous les types d'interactions fondamentales. Ils sont constitués de quarks et sont divisés, à leur tour, en : baryons, constitués de trois quarks, et mésons, constitués de deux quarks, dont l'un est un antiquark.

L’interaction la plus forte est celle entre les quarks. Un proton est constitué de 2 quarks u, d'un quark d, un neutron est constitué d'un quark u et de 2 quarks d. Il s'est avéré qu'à de très courtes distances, aucun des quarks ne remarque ses voisins et qu'ils se comportent comme des particules libres qui n'interagissent pas entre elles. Lorsque les quarks s’éloignent les uns des autres, une attraction apparaît entre eux, qui augmente avec la distance. Diviser les hadrons en quarks individuels isolés nécessiterait beaucoup d'énergie. Puisqu’une telle énergie n’existe pas, les quarks s’avèrent être des prisonniers éternels et restent à jamais enfermés à l’intérieur du hadron. Les quarks sont retenus à l'intérieur du hadron par le champ de gluons.

III. Consolidation

Option 1.

Option 2.

3.. Combien de temps un neutron vit-il en dehors du noyau d’un atome ? A. 12 minutes B. 15 minutes

Résumé de la leçon. Au cours de la leçon, nous nous sommes familiarisés avec les particules du micromonde et avons découvert quelles particules sont dites élémentaires.

D/z§9.3

Nom de la particule Masse (en masses électroniques) Charge électrique Durée de vie (s) Antiparticule Écurie Électron neutrino Écurie Muon neutrino Écurie Électron Écurie Mésons Pi ≈ 10 –10 –10 –8 Méson êta nul Écurie Hypéron lambda Hypérons Sigma Xi-hyperons Oméga-moins-hyperon

III. Consolidation

Nommer les principales interactions qui existent dans la nature

Quelle est la différence entre une particule et une antiparticule ? Qu'est-ce qu'ils ont en commun?

Quelles particules participent aux interactions gravitationnelles, électromagnétiques, fortes et faibles ?

Option 1.

1. L'une des propriétés des particules élémentaires est la capacité……… A. de se transformer les unes dans les autres B. de changer spontanément

2. Les particules qui peuvent exister à l'état libre pendant une durée illimitée sont appelées..... A. instable B. stable.

3. Quelle particule est stable ? A. proton B. méson

4. Une particule à vie longue. A. neutrino B. neutron

5. Les neutrinos sont produits à la suite de la désintégration de..... A. électron B. neutron

Option 2.

Quel est le facteur principal de l’existence des particules élémentaires ?

A. leur pénétration mutuelle B. leur transformation mutuelle.

2. Laquelle des particules élémentaires n'est pas isolée en particule libre. A. pion B. quarks

3. Combien de temps un neutron vit-il en dehors du noyau d’un atome ? A. 12 minutes B. 15 minutes

Quelle particule n’est pas stable ? A. photon B. lepton

Existe-t-il des particules immuables dans la nature ? A. oui B. non

Aristote croyait que la matière dans l'Univers est constituée de quatre éléments fondamentaux : la terre, l'air, le feu et l'eau, sur lesquels agissent deux forces : la force de gravité, qui attire la terre et l'eau vers le bas, et la force de légèreté, sous l'influence dont le feu et l'air tendent vers le haut. Cette approche de la structure de l'Univers, où tout est divisé en matière et en forces, se poursuit encore aujourd'hui.

Selon Aristote, la matière est continue, c'est-à-dire que n'importe quel morceau de matière peut être broyé à l'infini en morceaux de plus en plus petits, sans jamais atteindre un grain aussi minuscule qu'il ne serait plus divisé. Cependant, d'autres philosophes grecs, comme Démocrite, étaient d'avis que la matière est de nature granulaire et que tout dans le monde est composé d'un grand nombre d'atomes différents (le mot grec « atome » signifie indivisible). Les siècles ont passé, mais le différend s'est poursuivi sans aucune preuve réelle qui confirmerait le bien-fondé d'une partie ou de l'autre. Enfin, en 1803, le chimiste et physicien anglais John Dalton montra que le fait que les substances chimiques se combinent toujours dans certaines proportions peut s'expliquer en supposant que les atomes sont combinés en groupes appelés molécules. Cependant, jusqu’au début de notre siècle, le différend entre les deux écoles ne s’est jamais résolu en faveur des atomistes. Einstein a apporté une contribution très importante à la résolution de ce différend. Dans un article rédigé en 1905, quelques semaines avant son célèbre article sur la relativité restreinte, Einstein soulignait qu'un phénomène appelé mouvement brownien – le mouvement irrégulier et chaotique de minuscules particules en suspension dans l'eau – pouvait s'expliquer par les impacts des atomes du liquide sur ces particules.

À cette époque, il y avait déjà des raisons de penser que les atomes n’étaient pas non plus indivisibles. Quelques années plus tôt, J. J. Thomson du Trinity College de Cambridge avait découvert une nouvelle particule de matière, l'électron, dont la masse était inférieure à un millième de celle de l'atome le plus léger. Le dispositif expérimental de Thomson ressemblait un peu à un tube cathodique de télévision moderne. Un fil de métal chauffé au rouge servait de source d'électrons. Les électrons étant chargés négativement, ils ont été accélérés dans le champ électrique et déplacés vers l’écran recouvert d’une couche de phosphore. Lorsque les électrons frappaient l’écran, des éclairs de lumière apparaissaient dessus. Il est vite devenu évident que ces électrons devaient s'échapper des atomes et, en 1911, le physicien anglais Ernst Rutherford a finalement prouvé que les atomes de la matière avaient en réalité une structure interne : ils sont constitués d'un minuscule noyau chargé positivement et d'électrons tournant autour de lui. Rutherford est arrivé à cette conclusion en étudiant comment les particules alpha (particules chargées positivement émises par des atomes radioactifs) sont déviées lorsqu'elles entrent en collision avec des atomes.

Au début, on pensait que le noyau d'un atome était constitué d'électrons et de particules chargées positivement, appelées protons (du mot grec "protos" - primaire), car les protons étaient considérés comme les blocs fondamentaux dont est composée la matière. . Cependant, en 1932, James Chadwick, collègue de Rutherford à l'Université de Cambridge, a découvert qu'il existe également d'autres particules dans le noyau - des neutrons, dont la masse est presque égale à celle du proton, mais qui ne sont pas chargés. Pour cette découverte, Chadwick a reçu le prix Nobel et a été choisi pour diriger le Conville and Caius College de l'Université de Cambridge (le collège où je travaille actuellement). Il a ensuite dû renoncer à ce poste en raison de désaccords avec les salariés. Le collège avait été l'objet de conflits amers et constants depuis qu'après la guerre, un groupe de jeunes de retour avait voté contre le maintien des anciens professeurs dans les postes qu'ils occupaient déjà depuis de nombreuses années. Tout cela s'est passé avant moi ; J'ai commencé à travailler au collège en 1965 et j'ai vu la fin de la lutte lorsque l'autre directeur du collège, le prix Nobel Neville Mott, a été contraint de démissionner également.

Il y a vingt ans à peine, les protons et les neutrons étaient considérés comme des particules « élémentaires », mais des expériences sur l'interaction de protons et d'électrons se déplaçant à grande vitesse avec des protons ont montré qu'en réalité les protons sont constitués de particules encore plus petites. Murray Gell-Mann, théoricien du California Institute of Technology, a appelé ces particules des quarks. En 1969, Gell-Mann reçut le prix Nobel pour ses recherches sur les quarks. Le nom « quark » est tiré d’un vers intelligent de James Joyce : « Trois quarks pour Maître Mark ! » Le mot quark est censé être prononcé comme quart, avec le t à la fin remplacé par un k, mais il est généralement prononcé de manière à rimer avec alouette.

Plusieurs variétés de quarks sont connues : on pense qu'il existe au moins six « saveurs », qui correspondent au quark u, au quark d, au quark étrange, au quark charm, au quark b et au quark t. Un quark de chaque « saveur » peut également être de trois « couleurs » : rouge, vert et bleu. (Il convient de souligner que ce ne sont que des notations, puisque la taille des quarks est beaucoup plus petite que la longueur d'onde de la lumière visible et qu'ils n'ont donc pas de couleur au sens habituel du terme. Le fait est simplement que les physiciens modernes aiment venir avec des noms pour de nouvelles particules et phénomènes, sans limiter davantage leur fantaisie dans l'alphabet grec). Un proton et un neutron sont constitués de trois quarks de « couleurs » différentes. Un proton contient deux quarks u et un quark d, un neutron contient deux quarks d et un quark u. Les particules peuvent être construites à partir d'autres quarks (étrange, charme, b et t), mais tous ces quarks ont une masse beaucoup plus grande et se désintègrent très rapidement en protons et neutrons.

Nous savons déjà que ni les atomes, ni les protons et les neutrons à l'intérieur d'un atome ne sont indivisibles, et donc la question se pose : que sont les véritables particules élémentaires - ces briques initiales dont tout consiste ? Étant donné que les longueurs d’onde de la lumière sont considérablement plus grandes que la taille d’un atome, nous n’avons aucun espoir de « voir » les éléments constitutifs d’un atome de la manière habituelle. Pour cela, des longueurs d’onde beaucoup plus courtes sont nécessaires. Dans le chapitre précédent, nous avons appris que, selon la mécanique quantique, toutes les particules sont en réalité des ondes et que plus l’énergie d’une particule est élevée, plus la longueur d’onde correspondante est courte. Ainsi, notre réponse à cette question dépend de la hauteur de l’énergie des particules à notre disposition, car elle détermine la petite échelle des longueurs que nous pouvons observer. Les unités dans lesquelles l'énergie des particules est habituellement mesurée sont appelées électronvolts. (Dans ses expériences, Thomson a utilisé un champ électrique pour accélérer les électrons. Un électronvolt est l'énergie qu'un électron acquiert dans un champ électrique de 1 volt). Au XIXe siècle, alors qu’ils ne pouvaient utiliser que des particules d’une énergie de plusieurs électrons-volts libérées lors de réactions chimiques telles que la combustion, les atomes étaient considérés comme les plus petites parties de la matière. Dans les expériences de Rutherford, les énergies des particules alpha s'élevaient à des millions d'électrons-volts. Ensuite, nous avons appris, en utilisant des champs électromagnétiques, à accélérer des particules, d'abord jusqu'à des énergies de plusieurs millions, puis de milliers de millions d'électrons-volts. C’est ainsi que nous avons appris que des particules que l’on croyait élémentaires il y a vingt ans sont en réalité constituées de particules plus petites. Et si, lors de la transition vers des énergies encore plus élevées, il s’avérait que ces particules plus petites, à leur tour, étaient constituées de particules encore plus petites ? Bien sûr, c’est une situation tout à fait probable, mais nous avons désormais quelques raisons théoriques de croire que nous disposons déjà, ou presque, d’informations sur les premières « briques » à partir desquelles tout dans la nature est construit.

Tout ce qui existe dans l'Univers, y compris la lumière et la gravité, peut être décrit sur la base de l'idée de particules, en tenant compte du dualisme particule-onde dont nous avons parlé dans le chapitre précédent. Les particules ont une certaine caractéristique de rotation : le spin.

Imaginons des particules sous forme de petits sommets tournant autour de leur axe. Certes, une telle image peut être trompeuse, car en mécanique quantique, les particules n’ont pas d’axe de rotation bien défini. En fait, le spin d’une particule nous indique à quoi ressemble cette particule vue sous différents angles. Une particule de spin 0 est comme un point : elle se ressemble de tous les côtés (Fig. 5.1, I). Une particule de spin 1 peut être comparée à une flèche : elle semble différente selon les côtés (Fig. 5.1, II) et ne prend la même forme qu'après une rotation complète de 360 ​​​​degrés. Une particule de spin 2 peut être comparée à une flèche aiguisée des deux côtés : chacune de ses positions se répète après un demi-tour (180 degrés). De même, une particule avec un spin plus élevé revient à son état d’origine lorsqu’elle tourne sur une fraction encore plus petite d’une rotation complète. Tout cela est assez évident, mais ce qui est surprenant, c'est qu'il existe des particules qui, après une rotation complète, ne reprennent pas leur forme antérieure : il faut les faire tourner complètement deux fois ! On dit que ces particules ont un spin de 1/2.

Toutes les particules connues de l'Univers peuvent être divisées en deux groupes : les particules de spin 1/2, dont est constituée la matière dans l'Univers, et les particules de spin 0, 1 et 2, qui, comme nous le verrons, créent des forces agissant entre particules de matière. Les particules de matière obéissent au principe d'exclusion de Pauli, découvert en 1925 par le physicien autrichien Wolfgang Pauli. En 1945, Pauli reçut le prix Nobel pour sa découverte. Il était un exemple idéal de physicien théoricien : on dit que sa simple présence dans la ville perturbait le déroulement de toutes les expériences ! Le principe de Pauli stipule que deux particules identiques ne peuvent pas exister dans le même état, c'est-à-dire qu'elles ne peuvent pas avoir les mêmes coordonnées et vitesses avec la précision spécifiée par le principe d'incertitude. Le principe de Pauli est extrêmement important, puisqu'il a permis d'expliquer pourquoi, sous l'influence de forces créées par des particules de spin 0, 1, 2, les particules de matière ne s'effondrent pas dans un état de très haute densité : si les particules de la matière a des valeurs de coordonnées très proches, alors leurs vitesses doivent être différentes et, par conséquent, elles ne pourront pas rester longtemps aux points avec ces coordonnées. Si le principe de Pauli n'avait pas participé à la création du monde, les quarks n'auraient pas pu se combiner en particules individuelles bien définies - des protons et des neutrons, qui à leur tour n'auraient pas pu se combiner avec des électrons pour former des atomes individuels bien définis. Sans le principe de Pauli, toutes ces particules s’effondreraient et se transformeraient en une « gelée » plus ou moins homogène et dense.

Il n'y avait pas de bonne compréhension de l'électron et des autres particules de spin 1/2 jusqu'en 1928, lorsque Paul Dirac a proposé une théorie pour décrire ces particules. Par la suite, Dirac a obtenu la chaire de mathématiques à Cambridge (que Newton occupait autrefois et que j'occupe aujourd'hui). La théorie de Dirac a été la première théorie de ce type à être cohérente à la fois avec la mécanique quantique et la relativité restreinte. Il donne une explication mathématique de la raison pour laquelle le spin de l'électron est égal à 1/2, c'est-à-dire pourquoi lorsque l'électron tourne une fois, il ne reprend pas sa forme précédente, mais lorsqu'il tourne deux fois, il le fait. La théorie de Dirac prédisait également que l'électron devrait avoir un partenaire - un antiélectron ou, en d'autres termes, un positron. La découverte du positron en 1932 confirma la théorie de Dirac et, en 1933, il reçut le prix Nobel de physique. Nous savons désormais que chaque particule possède une antiparticule avec laquelle elle peut s'annihiler. (Dans le cas de particules qui assurent une interaction, la particule et l'antiparticule ne font qu'un). Il pourrait y avoir des antimots et des antipersonnes entiers constitués d'antiparticules. Mais si vous rencontrez un anti-moi, ne pensez même pas à lui serrer la main ! Il y aura un éclair de lumière aveuglant et vous disparaîtrez tous les deux. Une question extrêmement importante est de savoir pourquoi il y a tellement plus de particules autour de nous que d’antiparticules. Nous y reviendrons plus loin dans ce chapitre.

En mécanique quantique, toutes les forces, ou interactions, entre particules de matière sont supposées être portées par des particules de spin entier 0, 1 ou 2. Une particule de matière, comme un électron ou un quark, émet une particule qui porte la force. En raison du recul, la vitesse d'une particule de matière change. Ensuite, la particule porteuse entre en collision avec une autre particule de la substance et est absorbée par celle-ci. Cette collision modifie la vitesse de la deuxième particule, comme si une force agissait entre les deux particules de matière.

Les particules porteuses d'interaction ont une propriété importante : elles n'obéissent pas au principe d'exclusion de Pauli. Cela signifie qu’il n’y a aucune restriction sur le nombre de particules échangées, la force d’interaction résultante peut donc être importante. Mais si la masse des particules porteuses est importante, leur création et leur échange seront difficiles sur de grandes distances. Ainsi, les forces qu’ils transportent seront à courte portée. Si les particules porteuses n’ont pas leur propre masse, des forces à longue portée apparaîtront. Les particules porteuses échangées entre particules de matière sont dites virtuelles car, contrairement aux particules réelles, elles ne peuvent pas être détectées directement à l'aide d'un détecteur de particules. Cependant, nous savons que les particules virtuelles existent parce qu’elles créent des effets mesurables : les particules virtuelles créent des forces entre les particules de matière. Dans certaines conditions, les particules de spin 0, 1, 2 existent également sous forme réelle ; ils peuvent alors être enregistrés directement. Du point de vue de la physique classique, ces particules nous apparaissent sous la forme d'ondes, par exemple lumineuses ou gravitationnelles. Ils sont parfois émis lors de l'interaction des particules d'une substance, qui se produit en raison de l'échange de particules porteuses d'interaction. (Par exemple, la force électrique de répulsion mutuelle entre deux électrons résulte de l’échange de photons virtuels, qui ne peuvent pas être détectés directement. Mais si les électrons se croisent, de vrais photons peuvent être émis, qui seront détectés sous forme d’ondes lumineuses. )

Les particules porteuses peuvent être divisées en quatre types en fonction de l’ampleur de l’interaction qu’elles transportent et des particules avec lesquelles elles interagissent. Nous soulignons qu’une telle division est complètement artificielle ; Il s’agit là d’un schéma commode pour développer des théories particulières ; il n’y a probablement rien de plus sérieux là-dedans. La plupart des physiciens espèrent qu’à terme il sera possible de créer une théorie unifiée dans laquelle les quatre forces seraient des variations de la même force. Beaucoup y voient même l’objectif principal de la physique moderne. Récemment, les tentatives visant à unir les trois forces ont été couronnées de succès. Je vais en parler davantage dans ce chapitre. Nous parlerons un peu plus tard de la situation avec l'inclusion de la gravité dans une telle unification.

Ainsi, le premier type de force est la force gravitationnelle. Les forces gravitationnelles sont universelles. Cela signifie que chaque particule est sous l’influence d’une force gravitationnelle dont l’ampleur dépend de la masse ou de l’énergie de la particule. La gravité est beaucoup plus faible que chacune des trois forces restantes. Il s’agit d’une force très faible que nous ne remarquerions pas du tout sans deux de ses propriétés spécifiques : les forces gravitationnelles agissent sur de grandes distances et sont toujours des forces attractives. Par conséquent, de très faibles forces gravitationnelles d’interaction entre des particules individuelles dans deux grands corps, comme la Terre et le Soleil, peuvent totaliser une force très importante. Les trois autres types d’interactions soit n’agissent qu’à courte distance, soit sont répulsifs ou attractifs, ce qui conduit généralement à une compensation. Dans l’approche mécanique quantique du champ gravitationnel, la force gravitationnelle entre deux particules de matière est considérée comme étant portée par une particule de spin 2 appelée graviton. Le graviton n’a pas sa propre masse et la force qu’il transporte est donc à longue portée. L'interaction gravitationnelle entre le Soleil et la Terre s'explique par le fait que les particules qui composent la Terre et le Soleil échangent des gravitons. Malgré le fait que seules les particules virtuelles participent à l'échange, l'effet qu'elles créent est certainement mesurable, car cet effet est la rotation de la Terre autour du Soleil ! Les vrais gravitons se propagent sous forme d'ondes, appelées en physique classique ondes gravitationnelles, mais elles sont très faibles et si difficiles à enregistrer que personne n'y est encore parvenu.

Le type d'interaction suivant est créé par des forces électromagnétiques qui agissent entre des particules chargées électriquement, telles que les électrons et les quarks, mais ne sont pas responsables de l'interaction de particules non chargées telles que les gravitons. Les interactions électromagnétiques sont bien plus fortes que les interactions gravitationnelles : la force électromagnétique agissant entre deux électrons est environ un million de millions de milliards de millions de millions de millions (un suivi de quarante-deux zéros) fois supérieure à la force gravitationnelle. Mais il existe deux types de charges électriques : positives et négatives. Entre deux charges positives, tout comme entre deux charges négatives, il existe une force répulsive, et entre charges positives et négatives il existe une force attractive. Dans les grands corps, comme la Terre ou le Soleil, le contenu des charges positives et négatives est presque égal, et donc les forces d'attraction et de répulsion s'annulent presque, et il reste très peu de force électromagnétique pure. Cependant, à petite échelle des atomes et des molécules, les forces électromagnétiques dominent. En raison de l’attraction électromagnétique entre les électrons chargés négativement et les protons chargés positivement dans le noyau, les électrons de l’atome tournent autour du noyau exactement de la même manière que l’attraction gravitationnelle fait tourner la Terre autour du Soleil. L’attraction électromagnétique est décrite comme le résultat de l’échange d’un grand nombre de particules virtuelles de spin 1 sans masse appelées photons. Comme pour les gravitons, les photons qui effectuent l'échange sont virtuels, mais lorsqu'un électron se déplace d'une orbite autorisée à une autre, située plus près du noyau, de l'énergie est libérée et par conséquent un photon réel est émis, qui, à une longueur d'onde appropriée , peut être observé par l’œil humain sous forme de lumière visible ou à l’aide d’un type de détecteur de photons, tel qu’un film photographique. De même, lorsqu’un photon réel entre en collision avec un atome, un électron peut se déplacer d’une orbite à une autre, plus éloignée du noyau. Cette transition se produit grâce à l’énergie du photon, qui est absorbée par l’atome. Le troisième type d’interaction est appelé interaction faible. Il est responsable de la radioactivité et existe entre toutes les particules de matière de spin 1/2, mais les particules de spin 0, 1, 2 - photons et gravitons - n'y participent pas. Avant 1967, les propriétés des forces faibles étaient mal comprises et, en 1967, Abdus Salam, un théoricien de l'Imperial College de Londres, et Steven Weinberg de l'Université Harvard proposèrent simultanément une théorie combinant la force faible avec la force électromagnétique de la même manière qu'une théorie. Cent ans plus tôt, Maxwell combinait l'électricité et le magnétisme. Weinberg et Salam ont proposé qu'en plus du photon, il existe trois autres particules de spin 1, collectivement appelées bosons vecteurs lourds, qui portent la force faible. Ces bosons étaient désignés W+, W– et Z0 et avaient chacun une masse de 100 GeV (GeV signifie gigaélectronvolt, c'est-à-dire mille millions d'électronvolts). La théorie de Weinberg-Salam possède la propriété de ce qu’on appelle la rupture spontanée de symétrie. Cela signifie que des particules complètement différentes aux basses énergies se révèlent être en réalité les mêmes particules aux hautes énergies, mais dans des états différents. Cela ressemble en quelque sorte au comportement d’une bille lorsqu’on joue à la roulette. À toutes les énergies élevées (c'est-à-dire avec une rotation rapide de la roue), la balle se comporte toujours presque de la même manière : elle tourne sans arrêt. Mais à mesure que la roue ralentit, l'énergie de la balle diminue et elle finit par tomber dans l'une des trente-sept rainures de la roue. En d’autres termes, à basse énergie, la boule peut exister dans trente-sept états. Si, pour une raison quelconque, nous ne pouvions observer la balle qu’à basse énergie, nous penserions qu’il existe trente-sept types de balles différents !

La théorie de Weinberg-Salam prédisait qu’à des énergies bien supérieures à 100 GeV, les trois nouvelles particules et le photon devraient se comporter de manière identique, mais qu’à des énergies de particules plus faibles, c’est-à-dire dans la plupart des situations ordinaires, cette « symétrie » devrait se briser. Il était prévu que les masses des bosons W+, W– et Z0 seraient grandes, de sorte que les forces qu’ils créent auraient une portée d’action très courte. Lorsque Weinberg et Salam ont avancé leur théorie, peu de gens y ont cru, et avec les accélérateurs de faible puissance de l’époque, il était impossible d’atteindre l’énergie de 100 GeV requise pour la production de véritables particules W+, W– et Z0. Cependant, dix ans plus tard, les prédictions obtenues dans cette théorie aux basses énergies furent si bien confirmées expérimentalement que Weinberg et Salam reçurent le prix Nobel en 1979 avec Sheldon Glashow (également de Harvard), qui proposa une théorie unifiée similaire des phénomènes électromagnétiques et faibles. interactions nucléaires . Le comité du prix Nobel a été épargné de l'embarras qui aurait pu survenir s'il avait été démontré qu'il avait commis une erreur lors de la découverte en 1983 au CERN de trois partenaires massifs du photon présentant les masses correctes et d'autres caractéristiques prédites. Carlo Rubbia, qui dirigeait l'équipe de plusieurs centaines de physiciens qui ont réalisé cette découverte, a reçu le prix Nobel 1984, qui lui a été décerné conjointement avec l'ingénieur du CERN Simon Van der Meer, auteur de l'anneau de stockage d'antiparticules utilisé dans l'expérience. (Il est extrêmement difficile de se démarquer en physique expérimentale de nos jours à moins d'être déjà au sommet !).

La force nucléaire forte est une force de type 4 qui maintient les quarks à l’intérieur du proton et du neutron, ainsi que les protons et les neutrons à l’intérieur du noyau atomique. Le porteur de l’interaction forte est considéré comme une autre particule de spin 1, appelée gluon.

Les gluons n'interagissent qu'avec les quarks et autres gluons. L'interaction forte a une propriété extraordinaire : elle a le confinement (confinement - restriction, retention (anglais). - Ed.).

Le confinement signifie que les particules sont toujours contenues dans des combinaisons incolores. Un seul quark ne peut pas exister seul, car il devrait alors avoir une couleur (rouge, vert ou bleu). Le quark rouge doit donc être couplé au vert et au bleu via un « jet » de gluons (rouge + vert + bleu = blanc). Un tel triplet s'avère être un proton ou un neutron. Il existe une autre possibilité, lorsqu'un quark et un antiquark sont appariés (rouge + anti-rouge, ou vert + anti-vert, ou bleu + anti-bleu = blanc). De telles combinaisons constituent des particules appelées mésons. Ces particules sont instables car un quark et un antiquark peuvent s'annihiler pour former des électrons et d'autres particules. De même, un seul gluon ne peut pas exister seul en raison du confinement, car les gluons ont aussi une couleur. Par conséquent, les gluons doivent se regrouper de telle manière que leurs couleurs totalisent le blanc. Le groupe de gluons décrit forme une particule instable - une boule de glu.

Nous ne pouvons pas observer un quark ou un gluon individuel en raison du confinement. Cela ne signifie-t-il pas que l'idée même des quarks et des gluons en tant que particules est quelque peu métaphysique ? Non, car l’interaction forte est caractérisée par une autre propriété appelée liberté asymptotique. Grâce à cette propriété, la notion de quarks et de gluons devient complètement définie. Aux énergies ordinaires, l’interaction forte est en effet forte et presse étroitement les quarks les uns contre les autres. Mais, comme le montrent les expériences réalisées avec de puissants accélérateurs, à hautes énergies, l'interaction forte s'affaiblit sensiblement et les quarks et les gluons commencent à se comporter presque comme des particules libres. En figue. La figure 5.2 montre une photographie d'une collision proton-antiproton à haute énergie. On voit que plusieurs quarks presque libres, nés de l'interaction, ont formé les « jets » de traces visibles sur la photographie.

L'unification réussie des interactions électromagnétiques et faibles a donné lieu à des tentatives de combiner ces deux types d'interactions avec l'interaction forte, ce qui a abouti à ce que l'on appelle la théorie de la grande unification. Il y a une certaine exagération dans ce nom : premièrement, les grandes théories unifiées ne sont pas si grandes, et deuxièmement, elles n’unifient pas complètement toutes les forces car elles n’incluent pas la gravité. De plus, toutes ces théories sont en fait incomplètes, car elles contiennent des paramètres qui ne peuvent être prédits théoriquement et qui doivent être calculés en comparant les résultats théoriques et expérimentaux. Néanmoins, de telles théories peuvent constituer une étape vers une théorie d’unification complète couvrant toutes les interactions. L’idée principale derrière la construction de grandes théories unifiées est la suivante : comme déjà mentionné, les interactions fortes aux hautes énergies deviennent plus faibles qu’aux basses énergies. Dans le même temps, les forces électromagnétiques et faibles ne sont pas asymptotiquement gratuites et, à haute énergie, elles augmentent. Alors, avec une très grande valeur d’énergie – à l’énergie de la grande unification – ces trois forces pourraient devenir égales les unes aux autres et devenir simplement des variétés de la même force. Les théories de la grande unification prédisent qu'à cette énergie, différentes particules de matière de spin 1/2, telles que les quarks et les électrons, cesseraient également d'être différentes, ce qui constituerait une autre étape vers l'unification.

La grande valeur énergétique unifiée n’est pas très connue, mais elle doit être d’au moins un milliard de millions de GeV. Dans les accélérateurs de la génération actuelle, des particules d'une énergie d'environ 100 GeV entrent en collision, et dans les projets futurs, cette valeur devrait atteindre plusieurs milliers de GeV. Mais pour accélérer les particules jusqu’à atteindre une énergie unifiée, il faut un accélérateur de la taille du système solaire. Il est peu probable que, dans la situation économique actuelle, quiconque décide de le financer. C’est pourquoi il est impossible de tester expérimentalement directement les théories de grande unification. Mais ici, comme dans le cas de la théorie unifiée électrofaible, des conséquences à faible énergie peuvent être testées.

La plus intéressante de ces conséquences est que les protons, qui constituent l’essentiel de la masse de la matière ordinaire, peuvent se désintégrer spontanément en particules plus légères telles que les antiélectrons. La raison en est qu’à énergie grande unifiée, il n’y a pas de différence significative entre un quark et un antiélectron. Trois quarks à l'intérieur d'un proton n'ont généralement pas assez d'énergie pour se transformer en antiélectrons, mais l'un des quarks peut, tout à fait par hasard, recevoir un jour suffisamment d'énergie pour cette transformation, car en raison du principe d'incertitude, il est impossible d'enregistrer avec précision l'énergie. des quarks à l'intérieur d'un proton. Ensuite, le proton doit se désintégrer, mais la probabilité que le quark ait suffisamment d'énergie est si faible que l'attente pour cela devra être d'au moins un million de millions de milliards de millions d'années (un suivi de trente zéros), ce qui est beaucoup plus long que le temps qui s'est écoulé depuis le big bang, qui ne dépasse pas dix milliards d'années ou quelque chose comme ça (un suivi de dix zéros). Ceci suggère la conclusion que la possibilité d’une désintégration spontanée des protons ne peut être vérifiée expérimentalement. Il est cependant possible d’augmenter la probabilité d’observer la désintégration des protons en étudiant un très grand nombre de protons. (En observant, par exemple, 1 avec trente et un protons nuls au cours d'une année, on peut espérer détecter, selon l'une des théories de grande unification les plus simples, plus d'une désintégration de proton).

Plusieurs expériences de ce type ont déjà été réalisées, mais elles n'ont pas fourni d'informations précises sur les désintégrations du proton ou du neutron. L'une des expériences, qui a nécessité huit mille tonnes d'eau, a été réalisée dans une mine de sel de l'Ohio (afin d'éliminer les interférences cosmiques qui pourraient être confondues avec la désintégration des protons). Puisqu’aucune désintégration des protons n’a été détectée pendant toute l’expérience, on peut calculer que la durée de vie des protons doit être supérieure à dix millions de millions de millions de millions (un suivi de trente et un zéros) d’années. Ce résultat dépasse les prédictions de la théorie grande unifiée la plus simple, mais il existe des théories plus complexes qui donnent une estimation plus élevée. Pour les vérifier, des expériences encore plus précises avec des quantités encore plus importantes de la substance seront nécessaires.

Malgré les difficultés d'observation de la désintégration des protons, il est possible que notre existence même soit une conséquence du processus inverse - la formation de protons ou, plus simplement, de quarks au tout début, alors qu'il n'y avait pas plus de quarks que d'antiquarks. Cette image du début de l’Univers semble la plus naturelle. La matière terrestre est constituée en grande partie de protons et de neutrons, eux-mêmes constitués de quarks, mais il n'existe ni antiprotons ni antineutrons, eux-mêmes constitués d'antiquarks, à l'exception des quelques-uns qui ont été produits dans de grands accélérateurs. Les expériences avec les rayons cosmiques confirment qu'il en va de même pour toute la matière de notre Galaxie : il n'y a ni antiprotons ni antineutrons, à l'exception du petit nombre d'antiparticules qui résultent de la création de paires particule-antiparticule lors de collisions de particules à hautes énergies. . S'il y avait de vastes zones d'antimatière dans notre Galaxie, on s'attendrait alors à un fort rayonnement aux interfaces entre la matière et l'antimatière, où se produiraient de nombreuses collisions de particules et d'antiparticules qui, s'annihilant, émettraient un rayonnement de haute énergie.

Nous n'avons aucune indication directe si la matière des autres galaxies est constituée de protons et de neutrons ou d'antiprotons et d'antineutrons, mais elle doit être constituée de particules du même type : au sein d'une galaxie, il ne peut y avoir de mélange de particules et d'antiparticules, car en conséquence de leur annihilation, un puissant rayonnement serait émis. C’est pourquoi nous pensons que toutes les galaxies sont constituées de quarks et non d’antiquarks ; Il est peu probable que certaines galaxies soient constituées de matière et d’autres d’antimatière.

Mais pourquoi devrait-il y avoir autant plus de quarks que d’antiquarks ? Pourquoi leurs numéros ne sont-ils pas les mêmes ? Nous sommes très chanceux qu'il en soit ainsi, car s'il y avait un nombre égal de quarks et d'antiquarks, alors presque tous les quarks et antiquarks se seraient annihilés dans l'Univers primitif, le remplissant de rayonnement, mais ne laissant pratiquement aucune matière. Il n’y aurait ni galaxies, ni étoiles, ni planètes sur lesquelles la vie humaine pourrait se développer. Les grandes théories unifiées peuvent expliquer pourquoi il devrait désormais y avoir plus de quarks dans l'Univers que d'antiquarks, même si au tout début il y en avait en nombre égal. Comme nous le savons déjà, dans les grandes théories unifiées aux hautes énergies, les quarks peuvent se transformer en antiélectrons. Des processus inverses sont également possibles, lorsque les antiquarks se transforment en électrons et que les électrons et les antiélectrons se transforment en antiquarks et quarks. Il était une fois, au tout début du développement de l’Univers, qu’il faisait si chaud que l’énergie des particules était suffisante pour de telles transformations. Mais pourquoi cela a-t-il produit plus de quarks que d’antiquarks ? La raison réside dans le fait que les lois de la physique ne sont pas exactement les mêmes pour les particules et les antiparticules.

Jusqu'en 1956, on croyait que les lois de la physique étaient invariantes sous trois transformations de symétrie : C, P et T. La symétrie C signifie que toutes les lois sont les mêmes pour les particules et les antiparticules. La symétrie P signifie que les lois de la physique sont les mêmes pour tout phénomène et pour sa réflexion dans un miroir (l'image miroir d'une particule tournant dans le sens des aiguilles d'une montre sera une particule tournant dans le sens inverse des aiguilles d'une montre). Enfin, la signification de la symétrie T est que lorsque la direction du mouvement de toutes les particules et antiparticules est inversée, le système reviendra à l'état dans lequel il se trouvait auparavant ; en d’autres termes, les lois sont les mêmes que l’on avance ou recule dans le temps.

En 1956, deux physiciens américains, Tzundao Li et Zhenning Yang, suggérèrent que l'interaction faible n'est en fait pas invariante sous les transformations P. En d’autres termes, en raison d’une faible interaction, le développement de l’Univers peut se dérouler différemment du développement de son image miroir. La même année, Jinxiang Wu, un collègue de Li et Yang, a pu prouver que leur hypothèse était correcte. En disposant les noyaux des atomes radioactifs dans un champ magnétique de manière à ce que leurs spins soient dans la même direction, elle a montré que plus d'électrons étaient émis dans un sens que dans l'autre. L'année suivante, Lee et Yang reçurent le prix Nobel pour leur découverte. Il s'est avéré que les interactions faibles n'obéissent pas non plus à la symétrie C. Cela signifie qu'un Univers constitué d'antiparticules se comportera différemment de notre Univers. Cependant, il semblait à tout le monde que l'interaction faible devait toujours obéir à la symétrie combinée CP, c'est-à-dire que le développement de l'Univers devait se produire de la même manière que le développement de sa réflexion dans le miroir, si, après l'avoir réfléchi dans le miroir, nous remplacez également chaque particule par une antiparticule ! Mais en 1964, deux autres Américains, James Cronin et Vel Fitch, ont découvert que même la symétrie CP est brisée lors de la désintégration de particules appelées mésons K.

En 1980, Cronin et Fitch reçurent le prix Nobel pour leurs travaux. (Quel grand nombre de prix ont été décernés pour des œuvres qui montrent que l'Univers n'est pas aussi simple qu'on le pense).

Il existe un théorème mathématique qui stipule que toute théorie obéissant à la mécanique quantique et à la relativité doit toujours être invariante sous la symétrie CPT combinée. En d’autres termes, le comportement de l’Univers ne changera pas si vous remplacez les particules par des antiparticules, si vous réfléchissez tout dans un miroir et si vous inversez également le sens du temps. Mais Cronin et Fitch ont montré que si vous remplacez les particules par des antiparticules et produisez une image miroir, sans inverser le sens du temps, l'Univers se comportera différemment. Par conséquent, lorsque le temps s’inverse, les lois de la physique doivent changer, c’est-à-dire qu’elles ne sont pas invariantes par rapport à la symétrie de T.

Il est clair que dans l’Univers primitif, la symétrie T était rompue : lorsque le temps avance, l’Univers s’étend, et si le temps recule, l’Univers commence à se contracter. Et comme il existe des forces qui ne sont pas invariantes par rapport à la symétrie T, il s'ensuit qu'à mesure que l'Univers s'étend sous l'influence de ces forces, les antiélectrons devraient se transformer plus souvent en quarks que les électrons en antiquarks. Ensuite, à mesure que l’Univers s’étendait et se refroidissait, les antiquarks et les quarks se seraient annihilés, mais comme il y aurait eu plus de quarks que d’antiquarks, il y aurait eu un léger excès de quarks. Et ce sont précisément ces quarks qui constituent la matière que nous observons aujourd’hui et à partir de laquelle nous sommes nous-mêmes créés. Ainsi, notre existence même peut être considérée comme une confirmation de la théorie de la grande unification, bien que seulement comme une confirmation qualitative. Les incertitudes proviennent du fait que nous ne pouvons pas prédire combien de quarks resteront après l'annihilation, ni même si les particules restantes seront des quarks ou des antiquarks. (C'est vrai, s'il restait un surplus d'antiquarks, nous les renommerions simplement quarks, et quarks - antiquarks).

Les théories de grande unification n’incluent pas l’interaction gravitationnelle. Ce n’est pas si important, car les forces gravitationnelles sont si faibles que leur influence peut simplement être négligée lorsque nous

Présentation sur le thème "Particules élémentaires" en physique au format powerpoint. Cette présentation destinée aux écoliers de 11e explique la physique des particules élémentaires et systématise les connaissances sur le sujet. Le but du travail est de développer une pensée abstraite, écologique et scientifique des étudiants basée sur des idées sur les particules élémentaires et leurs interactions. Auteur de la présentation : Popova I.A., professeur de physique.

Fragments de la présentation

Combien d’éléments y a-t-il dans le tableau périodique ?

• Seulement 92.
• Comment? Y a t-il plus?
• C'est vrai, mais tout le reste est obtenu artificiellement, ils n'existent pas dans la nature.
• Donc - 92 atomes. Des molécules peuvent également être fabriquées à partir d'eux, c'est-à-dire des substances !
• Mais le fait que toutes les substances sont constituées d'atomes a été affirmé par Démocrite (400 avant JC).
• C'était un grand voyageur et son dicton préféré était :
• "Rien n'existe à part les atomes et l'espace pur, tout le reste n'est qu'une vue"

Chronologie de la physique des particules

• Les physiciens théoriciens ont été confrontés à la tâche la plus difficile consistant à ordonner l'ensemble du « zoo » de particules découvert et à essayer de réduire le nombre de particules fondamentales au minimum, prouvant ainsi que les autres particules sont constituées de particules fondamentales.
• Toutes ces particules étaient instables, c'est-à-dire se désintègrent en particules de masses inférieures, pour finalement devenir des protons, des électrons, des photons et des neutrinos stables (et leurs antiparticules).
• Le troisième est le suivant. M. Gell-Mann et indépendamment J. Zweig ont proposé un modèle de structure de particules en interaction forte à partir de particules fondamentales - les quarks
• Ce modèle est désormais devenu une théorie cohérente de tous les types connus d’interactions de particules.

Comment détecter une particule élémentaire ?

Habituellement, les traces (trajectoires ou traces) laissées par les particules sont étudiées et analysées à l'aide de photographies.

Classification des particules élémentaires

Toutes les particules sont divisées en deux classes :

• Les fermions, qui composent la matière ;
• Bosons à travers lesquels l'interaction se produit.

Quarks

• Les quarks participent à des interactions fortes, ainsi qu'à des interactions faibles et électromagnétiques.
• Gell-Mann et Georg Zweig ont proposé le modèle des quarks en 1964.
• Le principe de Pauli : dans un système de particules interconnectées, il n'existe jamais au moins deux particules avec des paramètres identiques si ces particules ont un spin semi-entier.

Qu’est-ce que le spin ?

• Spin démontre qu’il existe un espace d’états qui n’a rien à voir avec le mouvement d’une particule dans l’espace ordinaire ;
• Spin (de l'anglais to spin - to spin) est souvent comparé au moment cinétique d'une « toupie à rotation rapide » - ce n'est pas vrai !
• Le spin est une caractéristique quantique interne d’une particule qui n’a pas d’analogue en mécanique classique ;
• Le spin (de l'anglais spin - twirl, rotation) est le moment cinétique intrinsèque des particules élémentaires, qui a une nature quantique et n'est pas associé au mouvement de la particule dans son ensemble.

Quatre types d'interactions physiques

• gravitationnelle,
• électromagnétique,
• faible,
• fort.

• Faible interaction- modifie la nature interne des particules.
• Des interactions fortes- déterminer diverses réactions nucléaires, ainsi que l'émergence de forces qui lient les neutrons et les protons dans les noyaux.

Propriétés des quarks

• Les quarks ont une propriété appelée charge de couleur.
• Il existe trois types de charges de couleur, classiquement désignées par
• bleu,
• vert
• Rouge.
• Chaque couleur possède un complément sous la forme de sa propre anti-couleur – anti-bleu, anti-vert et anti-rouge.
• Contrairement aux quarks, les antiquarks n'ont pas de couleur, mais un anticolor, c'est-à-dire une charge de couleur opposée.

Propriétés des quarks : masse

• Les quarks ont deux principaux types de masses, qui diffèrent par leur taille :
• masse actuelle du quark, estimée dans des processus avec transfert significatif de l'impulsion 4 au carré, et
• masse structurelle (bloc, masse constitutive) ; inclut également la masse du champ de gluons autour du quark et est estimée à partir de la masse des hadrons et de leur composition en quarks.

Propriétés des quarks : saveur

• Chaque saveur (type) d'un quark est caractérisée par des nombres quantiques tels que
• l'isospin Iz,
• étrangeté S,
• charme C,
• charme (fond, beauté) B′,
• vérité (topness) T.

Tâches

• Quelle énergie est libérée lors de l’annihilation d’un électron et d’un positron ?
• Quelle énergie est libérée lors de l’annihilation d’un proton et d’un antiproton ?
• Quels processus nucléaires produisent des neutrinos ?
  • A. Pendant la désintégration α.
  • B. Pendant la désintégration β.
  • B. Lorsque des quanta γ sont émis.
• Quels processus nucléaires produisent des antineutrinos ?
  • A. Pendant la désintégration α.
  • B. Pendant la désintégration β.
  • B. Lorsque des quanta γ sont émis.
  • D. Lors de toute transformation nucléaire
• Un proton est constitué de...
  • UN. . . .neutron, positron et neutrino.
  • B. . . .mésons.
  • DANS. . . .quarks.
  • D. Un proton n’a aucun élément constitutif.
• Un neutron est constitué de...
  • UN. . . .proton, électron et neutrino.
  • B. . . .mésons.
  • DANS. . . . quarks.
  • D. Le neutron n’a aucun élément constitutif.
• Qu'est-ce qui a été prouvé par les expériences de Davisson et Germer ?
  • A. Nature quantique de l’absorption d’énergie par les atomes.
  • B. Nature quantique de l'émission d'énergie par les atomes.
  • B. Propriétés ondulatoires de la lumière.
  • D. Propriétés ondulatoires des électrons.
• Laquelle des formules suivantes détermine la longueur d'onde de De Broglie pour un électron (m et v sont la masse et la vitesse de l'électron) ?

Test

• Quels systèmes physiques sont formés à partir de particules élémentaires à la suite d’une interaction électromagnétique ? A. Électrons, protons. B. Noyaux atomiques. B. Atomes, molécules de matière et antiparticules.
• Du point de vue de l'interaction, toutes les particules sont divisées en trois types : A. Mésons, photons et leptons. B. Photons, leptons et baryons. B. Photons, leptons et hadrons.
• Quel est le facteur principal de l’existence des particules élémentaires ? A. Transformation mutuelle. B. Stabilité. B. L'interaction des particules les unes avec les autres.
• Quelles interactions déterminent la stabilité des noyaux dans les atomes ? A. Gravitation. B. Électromagnétique. B. Nucléaire. D. Faible.
• Existe-t-il des particules immuables dans la nature ? R. Il y en a. B. Ils n’existent pas.
• La réalité de la transformation de la matière en champ électromagnétique : A. Confirmée par l'expérience d'annihilation d'un électron et d'un positron. B. Confirmé par l'expérience d'annihilation d'un électron et d'un proton.
• Réaction de transformation de la matière en champ : A. e + 2γ→e+ B. e + 2γ→e- C. e+ +e- =2γ.
• Quelle interaction est responsable de la transformation des particules élémentaires les unes dans les autres ? A. Forte interaction. B. Gravitationnel. B. Interaction faible D. Forte, faible, électromagnétique.

La réponse à la question permanente : quelle est la plus petite particule de l’Univers qui a évolué avec l’humanité.

Les gens pensaient autrefois que les grains de sable étaient les éléments constitutifs de ce que nous voyons autour de nous. L'atome a ensuite été découvert et considéré comme indivisible jusqu'à ce qu'il soit divisé pour révéler les protons, les neutrons et les électrons qu'il contient. Ils ne se sont pas non plus avérés être les plus petites particules de l'Univers, puisque les scientifiques ont découvert que les protons et les neutrons sont chacun constitués de trois quarks.

Jusqu’à présent, les scientifiques n’ont pu trouver aucune preuve qu’il y ait quoi que ce soit à l’intérieur des quarks et que la couche la plus fondamentale de matière ou la plus petite particule de l’Univers ait été atteinte.

Et même si les quarks et les électrons sont indivisibles, les scientifiques ne savent pas s’il s’agit des plus petits morceaux de matière existants ou si l’Univers contient des objets encore plus petits.

Les plus petites particules de l'Univers

Ils existent en différentes saveurs et tailles, certains ont des connexions étonnantes, d'autres s'évaporent essentiellement les uns les autres, beaucoup d'entre eux portent des noms fantastiques : quarks composés de baryons et de mésons, de neutrons et de protons, de nucléons, d'hypérons, de mésons, de baryons, de nucléons, de photons, etc..d.

Le boson de Higgs est une particule si importante pour la science qu’on l’appelle la « particule divine ». On pense qu'il détermine la masse de tous les autres. L’élément a été théorisé pour la première fois en 1964, lorsque les scientifiques se demandaient pourquoi certaines particules étaient plus massives que d’autres.

Le boson de Higgs est associé au champ de Higgs, censé remplir l’Univers. Deux éléments (le champ quantique de Higgs et le boson de Higgs) sont responsables de donner de la masse aux autres. Nommé d'après le scientifique écossais Peter Higgs. Avec l'aide du 14 mars 2013, la confirmation de l'existence du boson de Higgs a été officiellement annoncée.

De nombreux scientifiques affirment que le mécanisme de Higgs a résolu la pièce manquante du puzzle pour compléter le « modèle standard » existant de la physique, qui décrit les particules connues.

Le boson de Higgs a fondamentalement déterminé la masse de tout ce qui existe dans l’Univers.

Quarks

Les quarks (c'est-à-dire les quarks) sont les éléments constitutifs des protons et des neutrons. Ils ne sont jamais seuls, n'existant qu'en groupe. Apparemment, la force qui lie les quarks entre eux augmente avec la distance, donc plus on avance, plus il sera difficile de les séparer. Les quarks libres n’existent donc jamais dans la nature.

Les quarks sont des particules fondamentales sont sans structure, pointus environ 10 à 16 cm.

Par exemple, les protons et les neutrons sont constitués de trois quarks, les protons contenant deux quarks identiques, tandis que les neutrons en contiennent deux différents.

Supersymétrie

On sait que les « éléments constitutifs » fondamentaux de la matière, les fermions, sont les quarks et les leptons, et que les gardiens de la force, les bosons, sont les photons et les gluons. La théorie de la supersymétrie dit que les fermions et les bosons peuvent se transformer les uns dans les autres.

La théorie prédite affirme que pour chaque particule que nous connaissons, il existe une particule apparentée que nous n’avons pas encore découverte. Par exemple, pour un électron, c'est un sélecron, un quark est un squark, un photon est un photono et un higgs est un higgsino.

Pourquoi n’observons-nous pas cette supersymétrie dans l’Univers maintenant ? Les scientifiques pensent qu’ils sont beaucoup plus lourds que leurs cousins ​​​​habituels et que plus ils sont lourds, plus leur durée de vie est courte. En fait, ils commencent à s’effondrer dès leur apparition. La création d'une supersymétrie nécessite une quantité d'énergie assez importante, qui n'existait que peu de temps après le big bang et qui pourrait éventuellement être créée dans de grands accélérateurs comme le Grand collisionneur de hadrons.

Quant à la raison pour laquelle la symétrie est apparue, les physiciens émettent l’hypothèse que la symétrie pourrait avoir été brisée dans un secteur caché de l’Univers que nous ne pouvons ni voir ni toucher, mais que nous ne pouvons ressentir que par gravitation.

Neutrino

Les neutrinos sont des particules subatomiques légères qui sifflent partout à une vitesse proche de celle de la lumière. En fait, des milliards de neutrinos circulent dans votre corps à tout moment, même s’ils interagissent rarement avec la matière normale.

Certains proviennent du soleil, tandis que d'autres proviennent de rayons cosmiques interagissant avec l'atmosphère terrestre et des sources astronomiques telles que les explosions d'étoiles de la Voie lactée et d'autres galaxies lointaines.

Antimatière

On pense que toutes les particules normales contiennent de l’antimatière de même masse mais de charge opposée. Quand la matière se rencontre, elles se détruisent. Par exemple, la particule d’antimatière d’un proton est un antiproton, tandis que le partenaire antimatière d’un électron est appelé un positron. L’antimatière est l’une des substances les plus chères au monde que l’on ait pu identifier.

Gravitons

Dans le domaine de la mécanique quantique, toutes les forces fondamentales sont transmises par des particules. Par exemple, la lumière est constituée de particules sans masse appelées photons, qui transportent une force électromagnétique. De même, le graviton est une particule théorique qui transporte la force de gravité. Les scientifiques n’ont pas encore détecté les gravitons, qui sont difficiles à trouver car ils interagissent très faiblement avec la matière.

Fils d'énergie

Dans les expériences, de minuscules particules telles que des quarks et des électrons agissent comme des points uniques de matière sans distribution spatiale. Mais les objets ponctuels compliquent les lois de la physique. Puisqu’il est impossible de s’approcher à l’infini d’un point, puisque les forces agissantes peuvent devenir infiniment grandes.

Une idée appelée théorie des supercordes pourrait résoudre ce problème. La théorie affirme que toutes les particules, au lieu d’être ponctuelles, sont en réalité de petits fils d’énergie. Autrement dit, tous les objets de notre monde sont constitués de fils vibrants et de membranes d'énergie. Rien ne peut être infiniment proche du fil, car une partie sera toujours un peu plus proche que l'autre. Cette « échappatoire » semble résoudre certains des problèmes posés par l'infini, ce qui rend l'idée attrayante pour les physiciens. Cependant, les scientifiques ne disposent toujours d’aucune preuve expérimentale de l’exactitude de la théorie des cordes.

Une autre façon de résoudre le problème ponctuel consiste à dire que l’espace lui-même n’est pas continu et lisse, mais qu’il est en réalité constitué de pixels ou de grains discrets, parfois appelés structure espace-temps. Dans ce cas, les deux particules ne pourront pas se rapprocher indéfiniment, car elles doivent toujours être séparées par une granulométrie minimale de l'espace.

Point de trou noir

Un autre prétendant au titre de plus petite particule de l’Univers est la singularité (un seul point) au centre d’un trou noir. Les trous noirs se forment lorsque la matière se condense dans un espace suffisamment petit pour que la gravité s'y accroche, provoquant l'attraction de la matière vers l'intérieur, pour finalement se condenser en un seul point de densité infinie. Du moins selon les lois actuelles de la physique.

Mais la plupart des experts ne pensent pas que les trous noirs soient réellement d’une densité infinie. Ils estiment que cet infini est le résultat d’un conflit interne entre deux théories actuelles : la relativité générale et la mécanique quantique. Ils suggèrent que lorsque la théorie de la gravité quantique pourra être formulée, la véritable nature des trous noirs sera révélée.

longueur Planck

Les fils d’énergie et même la plus petite particule de l’Univers peuvent avoir la taille d’une « longueur de planche ».

La longueur de la barre est de 1,6 x 10 -35 mètres (le nombre 16 est précédé de 34 zéros et d'un point décimal) - une échelle incompréhensiblement petite associée à divers aspects de la physique.

La longueur de Planck est une « unité naturelle » de longueur proposée par le physicien allemand Max Planck.

La longueur de Planck est trop courte pour qu'un instrument puisse la mesurer, mais au-delà de cela, on pense qu'elle représente la limite théorique de la longueur mesurable la plus courte. Selon le principe d’incertitude, aucun instrument ne devrait jamais être capable de mesurer moins, car dans cette plage, l’univers est probabiliste et incertain.

Cette échelle est également considérée comme la ligne de démarcation entre la relativité générale et la mécanique quantique.

La longueur de Planck correspond à la distance à laquelle le champ gravitationnel est si fort qu'il peut commencer à former des trous noirs à partir de l'énergie du champ.

Apparemment, la plus petite particule de l'Univers a à peu près la taille d'une planche : 1,6 x 10 −35 mètres.

conclusions

Dès l'école, on savait que la plus petite particule de l'Univers, l'électron, a une charge négative et une très petite masse, égale à 9,109 x 10 - 31 kg, et que le rayon classique de l'électron est de 2,82 x 10 -15 m.

Cependant, les physiciens opèrent déjà avec les plus petites particules de l'Univers, la taille de Planck qui est d'environ 1,6 x 10 −35 mètres.

L'une des principales propriétés des particules est leur capacité à se transformer les unes dans les autres, à naître et à se détruire à la suite d'une interaction.
La découverte du positron, une particule aux caractéristiques similaires à celles d'un électron, mais qui, contrairement à cet électron, possède une charge unitaire positive, a été un événement extrêmement important en physique. En 1928, P. Dirac proposait une équation pour décrire la mécanique quantique relativiste de l'électron. Il s’est avéré que l’équation de Dirac a deux solutions, à la fois avec une énergie positive et une énergie négative. Un état d’énergie négative décrit une particule semblable à un électron, mais avec une charge électrique positive. Le positon a été la première particule découverte parmi toute une classe de particules appelées antiparticules. Avant la découverte du positron, le rôle inégal des charges positives et négatives dans la nature semblait inexplicable. Pourquoi existe-t-il un proton lourd chargé positivement, mais pas une particule lourde ayant la masse d’un proton et une charge négative ? Mais il y avait un léger électron chargé négativement. La découverte du positron en 1932 a essentiellement restauré la symétrie de charge pour les particules légères et a confronté les physiciens au problème de trouver une antiparticule pour le proton. Une autre surprise est que le positon est une particule stable et peut exister indéfiniment dans l’espace vide. Cependant, lorsqu’un électron et un positron entrent en collision, ils s’annihilent. L'électron et le positron disparaissent et à leur place naissent deux quanta γ.

e + + e - → 2γ

m(e -) = m(e +) = 0,511 MeV.

Il y a une transformation de particules de masse au repos différente de zéro en particules de masse au repos nulle (photons), c'est-à-dire la masse au repos n'est pas conservée, mais est convertie en énergie cinétique.
Parallèlement au processus d'annihilation, le processus de création d'une paire électron-positon a également été découvert. Les paires électron-positon ont été facilement produites par des -quanta avec une énergie de plusieurs MeV dans le champ coulombien du noyau atomique. En physique classique, les concepts de particules et d'ondes sont nettement différenciés : certains objets physiques sont des particules, tandis que d'autres sont des ondes. La transformation des paires électron-positron en photons a confirmé une fois de plus l’idée selon laquelle il existe de nombreux points communs entre le rayonnement et la matière. Les processus d'annihilation et de naissance de paires nous ont obligés à repenser ce que sont les particules, autrefois qualifiées d'élémentaires. La particule a cessé d’être une « brique » immuable dans la structure de la matière. Un nouveau concept extrêmement profond de transformation mutuelle des particules est apparu. Il s'est avéré que des particules peuvent naître et disparaître, se transformant en d'autres particules.
Dans la théorie de la désintégration créée par E. Fermi, il a été montré que les électrons émis pendant le processus de désintégration n'existent pas dans le noyau, mais naissent à la suite de la désintégration d'un neutron. À la suite de cette désintégration, le neutron n disparaît et le proton p, l'électron e et l'électron antineutrino e naissent.

n p + e - + e

m(n) = 939,6 MeV. m(p) = 938,3 MeV. m(e) = ? τ(n) = 887c.

À la suite de réactions entre un antiproton et un proton p, en fonction de l'énergie des particules en collision, diverses particules peuvent naître

p+	→ n + + π + + π -	m() = m(p), m() = m(n) m(π +) = m(π -) = 140 MeV. τ (π +) = τ (π -) = 2,6∙ 10 -8 s.
	→π + + π - + π 0
	→ K + + K -

Un méson K + chargé positivement, dont la durée de vie moyenne est de 1,2∙10 -8 s, se désintègre de l'une des manières suivantes (les probabilités relatives de désintégration sont indiquées à droite.

Λ -hyperon et Δ 0 -résonance ont approximativement les mêmes masses et se désintègrent en les mêmes particules - proton et π - méson. La grande différence dans leur durée de vie est due au mécanisme de désintégration. Λ -hyperon se désintègre à la suite d'une interaction faible et Δ 0 -résonance - à la suite d'une interaction forte.

Λ → p + π	m(Λ ) = 1116 MeV. τ (Λ ) = 2,6∙ 10 -10 s.
Δ 0 → p + π	m(Δ) = 1232 MeV. τ(Δ) = 10 -23 s

Lors de la désintégration d'un muon négatif (-) à l'état final, deux particules neutres apparaissent avec l'électron - un neutrino du muon ν μ et l'antineutrino électronique e. Cette dégradation résulte d’une faible interaction.