Pelajaran No.67.

Topik pelajaran: Masalah partikel elementer

Tujuan pelajaran:

Pendidikan: mengenalkan siswa pada konsep partikel elementer, dengan klasifikasi partikel elementer, menggeneralisasi dan mengkonsolidasikan pengetahuan tentang jenis-jenis interaksi mendasar, membentuk pandangan dunia ilmiah.

Pendidikan: membentuk minat kognitif terhadap fisika, menanamkan rasa cinta dan hormat terhadap prestasi ilmu pengetahuan.

Pendidikan: pengembangan rasa ingin tahu, kemampuan menganalisis, merumuskan kesimpulan secara mandiri, perkembangan bicara dan berpikir.

Peralatan: papan tulis interaktif (atau proyektor dengan layar).

Jenis pelajaran: mempelajari materi baru.

Jenis pelajaran: kuliah

Selama kelas:

Tahap organisasi

Mempelajari topik baru.

Di alam, ada 4 jenis interaksi fundamental (dasar): gravitasi, elektromagnetik, kuat dan lemah. Menurut konsep modern, interaksi antar benda dilakukan melalui medan yang mengelilingi benda tersebut. Medan itu sendiri dalam teori kuantum dipahami sebagai kumpulan kuanta. Setiap jenis interaksi memiliki pembawa interaksinya sendiri dan bermuara pada penyerapan dan emisi kuanta cahaya yang sesuai oleh partikel.

Interaksi dapat bersifat jangka panjang (terwujud dalam jarak yang sangat jauh) dan jangka pendek (terwujud dalam jarak yang sangat pendek).

Interaksi gravitasi terjadi melalui pertukaran graviton. Mereka belum terdeteksi secara eksperimental. Menurut hukum yang ditemukan pada tahun 1687 oleh ilmuwan besar Inggris Isaac Newton, semua benda, apapun bentuk dan ukurannya, saling tarik menarik dengan gaya yang berbanding lurus dengan massanya dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antara keduanya. Interaksi gravitasi selalu menimbulkan gaya tarik menarik benda.

Interaksi elektromagnetik bersifat jangka panjang. Berbeda dengan interaksi gravitasi, interaksi elektromagnetik dapat menimbulkan gaya tarik-menarik dan tolak-menolak. Pembawa interaksi elektromagnetik adalah kuanta medan elektromagnetik - foton. Akibat pertukaran partikel-partikel ini, timbul interaksi elektromagnetik antara benda-benda bermuatan.

Interaksi yang kuat adalah interaksi yang paling kuat dari semua interaksi. Ini adalah jarak pendek, gaya-gaya yang bersesuaian berkurang dengan sangat cepat seiring bertambahnya jarak di antara mereka. Jari-jari aksi gaya nuklir adalah 10 -13 cm

Interaksi lemah terjadi pada jarak yang sangat pendek. Rentang aksinya kira-kira 1000 kali lebih kecil dibandingkan kekuatan nuklir.

Penemuan radioaktivitas dan hasil percobaan Rutherford secara meyakinkan menunjukkan bahwa atom tersusun dari partikel. Mereka ditemukan terdiri dari elektron, proton dan neutron. Pada mulanya, partikel penyusun atom dianggap tidak dapat dibagi lagi. Itu sebabnya mereka disebut partikel elementer. Gagasan tentang struktur dunia yang "sederhana" hancur ketika pada tahun 1932 antipartikel elektron ditemukan - sebuah partikel yang memiliki massa yang sama dengan elektron, tetapi berbeda dalam tanda muatan listriknya. Partikel bermuatan positif ini disebut positron... menurut konsep modern, setiap partikel memiliki antipartikel. Partikel dan antipartikel mempunyai massa yang sama, tetapi tanda semua muatannya berlawanan. Jika antipartikelnya bertepatan dengan partikel itu sendiri, maka partikel tersebut disebut benar-benar netral, muatannya 0. Misalnya foton. Ketika sebuah partikel dan antipartikel bertabrakan, mereka musnah, yaitu menghilang, berubah menjadi partikel lain (seringkali partikel-partikel ini adalah foton).

Semua partikel elementer (yang tidak dapat dibagi menjadi komponen-komponennya) dibagi menjadi 2 kelompok: fundamental (partikel tak berstruktur, semua partikel fundamental pada tahap perkembangan fisika ini dianggap tidak berstruktur, yaitu tidak terdiri dari partikel lain) dan hadron ( partikel dengan struktur kompleks).

Partikel fundamental, pada gilirannya, dibagi lagi menjadi lepton, quark, dan pembawa interaksi. Hadron dibagi menjadi baryon dan meson. Lepton termasuk elektron, positron, muon, taon, dan tiga jenis neutrino.

Quark adalah partikel yang membentuk semua hadron. Berpartisipasilah dalam interaksi yang kuat.

Menurut konsep modern, setiap interaksi muncul sebagai hasil pertukaran partikel, yang disebut pembawa interaksi ini: foton (partikel yang membawa interaksi elektromagnetik), delapan gluon (partikel yang membawa interaksi kuat), tiga perantara boson vektor W + , W− dan Z 0, membawa interaksi lemah, graviton (pembawa interaksi gravitasi). Keberadaan graviton belum terbukti secara eksperimental.

Hadron berpartisipasi dalam semua jenis interaksi mendasar. Mereka terdiri dari quark dan dibagi lagi menjadi: baryon, terdiri dari tiga quark, dan meson, terdiri dari dua quark, salah satunya adalah antiquark.

Interaksi yang paling kuat adalah interaksi antar quark. Sebuah proton terdiri dari 2 u quark, satu d quark, sebuah neutron terdiri dari satu u quark dan 2 d quark. Ternyata pada jarak yang sangat dekat tidak ada satupun quark yang memperhatikan tetangganya, dan mereka berperilaku seperti partikel bebas yang tidak berinteraksi satu sama lain. Ketika quark menjauh satu sama lain, timbul gaya tarik-menarik di antara mereka, yang meningkat seiring bertambahnya jarak. Untuk memecah hadron menjadi quark yang terisolasi akan membutuhkan banyak energi. Karena tidak ada energi seperti itu, quark menjadi tahanan abadi dan selamanya terkunci di dalam hadron. Quark ditahan di dalam hadron oleh medan gluon.

AKU AKU AKU. Konsolidasi

Pilihan 1.

Pilihan 2.

3.. Berapa lama neutron hidup di luar inti atom? A. 12 menit B. 15 menit

Ringkasan pelajaran. Selama pelajaran kita mengenal partikel-partikel dunia mikro dan menemukan partikel mana yang disebut unsur dasar.

D/z§ 9.3

Nama partikel Massa (dalam massa elektronik) Muatan listrik Seumur hidup Antipartikel Stabil elektron neutrino Stabil Neutrino muon Stabil Elektron Stabil Pi meson ≈ 10 –10 –10 –8 Eta-null-meson Stabil Lambda hiperon hiperon sigma Xi-hiperon Omega-minus-hiperon

AKU AKU AKU. Konsolidasi

Sebutkan interaksi utama yang ada di alam

Apa perbedaan antara partikel dan antipartikel? Apa kesamaan mereka?

Partikel manakah yang berpartisipasi dalam interaksi gravitasi, elektromagnetik, kuat dan lemah?

Pilihan 1.

1. Salah satu sifat partikel elementer adalah kemampuannya……… A. saling bertransformasi B. berubah secara spontan

2. Partikel yang dapat berada dalam keadaan bebas dalam waktu yang tidak terbatas disebut..... A. tidak stabil B. stabil.

3. Partikel manakah yang stabil? A. proton B. meson

4. Partikel berumur panjang. A.neutrino B.neutron

5. Neutrino dihasilkan sebagai hasil peluruhan..... A. elektron B. neutron

Pilihan 2.

Apa faktor utama keberadaan partikel elementer?

A. penetrasi timbal balik mereka B. transformasi timbal balik mereka.

2. Partikel elementer manakah yang tidak diisolasi menjadi partikel bebas. A. pion B. quark

3. Berapa lama neutron berada di luar inti atom? A. 12 menit B. 15 menit

Partikel manakah yang tidak stabil? A. foton B. lepton

Apakah ada partikel yang tidak dapat diubah di alam? A. ya B. tidak

Aristoteles percaya bahwa materi di Alam Semesta terdiri dari empat elemen dasar - bumi, udara, api, dan air, yang dipengaruhi oleh dua gaya: gaya gravitasi, yang menarik bumi dan air ke bawah, dan gaya ringan, di bawah pengaruhnya. di antaranya api dan udara cenderung ke atas. Pendekatan terhadap struktur Alam Semesta ini, ketika segala sesuatu terbagi menjadi materi dan gaya, berlanjut hingga hari ini.

Menurut Aristoteles, materi bersifat kontinu, artinya, setiap bagian materi dapat terus-menerus dihancurkan menjadi potongan-potongan yang semakin kecil, tidak pernah mencapai butiran sekecil itu sehingga tidak dapat dibagi lagi. Namun, beberapa filsuf Yunani lainnya, seperti Democritus, berpendapat bahwa materi bersifat granular dan segala sesuatu di dunia terdiri dari sejumlah besar atom yang berbeda (kata Yunani "atom" berarti tidak dapat dibagi). Berabad-abad berlalu, namun perselisihan terus berlanjut tanpa ada bukti nyata yang dapat memastikan kebenaran salah satu pihak. Akhirnya, pada tahun 1803, ahli kimia dan fisikawan Inggris John Dalton menunjukkan bahwa fakta bahwa zat kimia selalu bergabung dalam proporsi tertentu dapat dijelaskan dengan asumsi bahwa atom bergabung menjadi kelompok yang disebut molekul. Namun, hingga awal abad ini, perselisihan antara kedua aliran tersebut tidak pernah terselesaikan demi kepentingan kaum atomis. Einstein memberikan kontribusi yang sangat penting untuk menyelesaikan perselisihan ini. Dalam sebuah makalah yang ditulis pada tahun 1905, beberapa minggu sebelum makalahnya yang terkenal tentang relativitas khusus, Einstein menunjukkan bahwa fenomena yang disebut gerak Brown—gerakan partikel-partikel kecil yang tersuspensi dalam air secara tidak teratur dan kacau—dapat dijelaskan oleh tumbukan atom-atom dalam cairan di sekitarnya. partikel-partikel ini.

Pada saat itu, sudah ada alasan untuk berpikir bahwa atom juga tidak dapat dibagi-bagi. Beberapa tahun sebelumnya, J. J. Thomson dari Trinity College, Cambridge, telah menemukan partikel materi baru, elektron, yang massanya kurang dari seperseribu massa atom paling ringan. Pengaturan eksperimental Thomson mirip dengan tabung gambar televisi modern. Benang logam panas membara berfungsi sebagai sumber elektron. Karena elektron bermuatan negatif, elektron dipercepat dalam medan listrik dan bergerak menuju layar yang dilapisi lapisan fosfor. Ketika elektron mengenai layar, kilatan cahaya muncul di layar. Segera menjadi jelas bahwa elektron-elektron ini harus terbang keluar dari atom, dan pada tahun 1911 fisikawan Inggris Ernst Rutherford akhirnya membuktikan bahwa atom-atom materi sebenarnya memiliki struktur internal: mereka terdiri dari inti kecil bermuatan positif dan elektron-elektron yang berputar mengelilinginya. Rutherford sampai pada kesimpulan ini dengan mempelajari bagaimana partikel alfa (partikel bermuatan positif yang dipancarkan oleh atom radioaktif) dibelokkan ketika bertabrakan dengan atom.

Pada awalnya, inti atom dianggap terdiri dari elektron dan partikel bermuatan positif, yang disebut proton (dari kata Yunani "protos" - primer), karena proton dianggap sebagai blok dasar penyusun materi. . Namun, pada tahun 1932, James Chadwick, rekan Rutherford di Universitas Cambridge, menemukan bahwa terdapat juga partikel lain di dalam inti - neutron, yang massanya hampir sama dengan massa proton, tetapi tidak bermuatan. Atas penemuan ini, Chadwick dianugerahi Hadiah Nobel dan terpilih menjadi kepala Conville and Caius College, Universitas Cambridge (perguruan tinggi tempat saya sekarang bekerja). Kemudian dia harus melepaskan jabatan ini karena perbedaan pendapat dengan karyawan. Perguruan tinggi ini terus-menerus menjadi subyek perselisihan sengit sejak, setelah perang, sekelompok pemuda yang kembali memilih untuk tidak mempertahankan staf lama pada posisi yang telah mereka pegang selama bertahun-tahun. Semua ini terjadi sebelum saya; Saya mulai bekerja di perguruan tinggi tersebut pada tahun 1965 dan menyaksikan akhir perjuangan ketika kepala perguruan tinggi lainnya, peraih Nobel Neville Mott, juga terpaksa mengundurkan diri.

Dua puluh tahun yang lalu, proton dan neutron dianggap sebagai partikel “dasar”, namun percobaan pada interaksi proton dan elektron yang bergerak dengan kecepatan tinggi dengan proton menunjukkan bahwa sebenarnya proton terdiri dari partikel yang lebih kecil lagi. Murray Gell-Mann, ahli teori di California Institute of Technology, menyebut partikel ini quark. Pada tahun 1969, Gell-Mann dianugerahi Hadiah Nobel untuk penelitiannya tentang quark. Nama "quark" diambil dari baris puisi cerdas James Joyce: "Tiga quark untuk Master Mark!" Kata quark seharusnya diucapkan seperti quart, dengan t di akhir diganti dengan k, tetapi biasanya diucapkan sedemikian rupa sehingga berima dengan lark.

Beberapa jenis quark diketahui: diyakini bahwa setidaknya ada enam “rasa”, yang sesuai dengan u-quark, d-quark, Strange quark, charm quark, b-quark, dan t-quark. Satu quark dari setiap “rasa” juga dapat terdiri dari tiga “warna” – merah, hijau dan biru. (Perlu ditekankan bahwa ini hanyalah notasi, karena ukuran quark jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya tampak dan oleh karena itu mereka tidak memiliki warna dalam arti kata yang biasa. Intinya adalah fisikawan modern suka datang ke sini memberikan nama untuk partikel dan fenomena baru, tanpa membatasi fantasi mereka dalam alfabet Yunani). Proton dan neutron terdiri dari tiga quark dengan “warna” berbeda. Sebuah proton mengandung dua u-quark dan satu d-quark, sebuah neutron mengandung dua d-quark dan satu u-quark. Partikel dapat dibangun dari quark lain (aneh, pesona, b dan t), tetapi semua quark ini memiliki massa yang jauh lebih besar dan sangat cepat meluruh menjadi proton dan neutron.

Kita telah mengetahui bahwa baik atom, proton, dan neutron di dalam atom tidak dapat dibagi-bagi, dan oleh karena itu timbul pertanyaan: apakah partikel elementer yang sebenarnya - batu bata awal yang menyusun segala sesuatu? Karena panjang gelombang cahaya jauh lebih besar daripada ukuran atom, kita tidak punya harapan untuk “melihat” bagian penyusun atom dengan cara biasa. Untuk tujuan ini, diperlukan panjang gelombang yang jauh lebih pendek. Pada bab sebelumnya, kita telah mempelajari bahwa, menurut mekanika kuantum, semua partikel sebenarnya adalah gelombang, dan semakin tinggi energi suatu partikel, semakin pendek panjang gelombangnya. Jadi, jawaban kita terhadap pertanyaan ini bergantung pada seberapa tinggi energi partikel yang kita miliki, karena energi tersebut menentukan seberapa kecil skala panjang yang dapat kita amati. Satuan yang biasanya digunakan untuk mengukur energi partikel disebut elektronvolt. (Dalam eksperimennya, Thomson menggunakan medan listrik untuk mempercepat elektron. Elektronvolt adalah energi yang diperoleh elektron dalam medan listrik 1 volt). Pada abad ke-19, ketika mereka hanya dapat menggunakan partikel dengan energi beberapa elektron volt yang dilepaskan dalam reaksi kimia seperti pembakaran, atom dianggap sebagai bagian terkecil dari materi. Dalam percobaan Rutherford, energi partikel alfa berjumlah jutaan elektron volt. Kemudian kita belajar, dengan menggunakan medan elektromagnetik, untuk mempercepat partikel, pertama hingga berenergi jutaan, dan kemudian ribuan juta elektron volt. Inilah cara kita mengetahui bahwa partikel yang dianggap unsur dua puluh tahun yang lalu sebenarnya terdiri dari partikel yang lebih kecil. Bagaimana jika, selama transisi ke energi yang lebih tinggi, ternyata partikel-partikel yang lebih kecil ini terdiri dari partikel-partikel yang lebih kecil lagi? Tentu saja, situasi ini sangat mungkin terjadi, namun kini kita mempunyai beberapa alasan teoretis untuk meyakini bahwa kita telah memiliki, atau hampir memiliki, informasi tentang “batu bata” awal yang menjadi dasar terbentuknya segala sesuatu di alam.

Segala sesuatu yang ada di Alam Semesta, termasuk cahaya dan gravitasi, dapat dijelaskan berdasarkan gagasan tentang partikel, dengan mempertimbangkan dualisme gelombang partikel yang telah kita bahas pada bab sebelumnya. Partikel memiliki karakteristik rotasi tertentu - putaran.

Bayangkan partikel berbentuk gasing kecil yang berputar pada porosnya. Benar, gambaran seperti itu bisa menyesatkan, karena dalam mekanika kuantum, partikel tidak memiliki sumbu rotasi yang jelas. Faktanya, putaran suatu partikel memberi tahu kita seperti apa rupa partikel tersebut jika dilihat dari sudut yang berbeda. Partikel dengan spin 0 seperti sebuah titik: terlihat sama dari semua sisi (Gbr. 5.1, I). Sebuah partikel dengan putaran 1 dapat dibandingkan dengan sebuah panah: ia terlihat berbeda dari sisi yang berbeda (Gbr. 5.1, II) dan mengambil bentuk yang sama hanya setelah rotasi penuh 360 derajat. Sebuah partikel dengan putaran 2 dapat dibandingkan dengan panah yang diasah di kedua sisinya: salah satu posisinya diulangi setelah setengah putaran (180 derajat). Demikian pula, partikel dengan putaran yang lebih tinggi akan kembali ke keadaan semula ketika diputar melalui pecahan yang lebih kecil dari putaran penuh. Ini semua cukup jelas, tetapi yang mengejutkan adalah ada partikel yang, setelah satu putaran penuh, tidak mengambil bentuk semula: mereka harus diputar seluruhnya dua kali! Partikel tersebut dikatakan mempunyai spin 1/2.

Semua partikel yang dikenal di Alam Semesta dapat dibagi menjadi dua kelompok: partikel dengan spin 1/2, yang merupakan bahan pembentuk materi di Alam Semesta, dan partikel dengan spin 0, 1, dan 2, yang, seperti akan kita lihat, menciptakan gaya-gaya yang bekerja di antara keduanya. partikel materi. Partikel materi mematuhi apa yang disebut prinsip pengecualian Pauli, yang ditemukan pada tahun 1925 oleh fisikawan Austria Wolfgang Pauli. Pada tahun 1945, Pauli dianugerahi Hadiah Nobel atas penemuannya. Dia adalah contoh ideal seorang fisikawan teoretis: mereka mengatakan bahwa kehadirannya di kota saja sudah mengganggu kemajuan semua eksperimen! Prinsip Pauli menyatakan bahwa dua partikel identik tidak dapat berada dalam keadaan yang sama, yaitu keduanya tidak dapat mempunyai koordinat dan kecepatan yang sama dengan ketelitian yang ditentukan oleh prinsip ketidakpastian. Prinsip Pauli sangat penting, karena memungkinkan untuk menjelaskan mengapa, di bawah pengaruh gaya yang diciptakan oleh partikel dengan spin 0, 1, 2, partikel materi tidak terurai menjadi keadaan dengan kepadatan yang sangat tinggi: jika partikel dari suatu zat mempunyai nilai koordinat yang sangat dekat, maka kecepatannya pasti berbeda-beda, sehingga tidak dapat bertahan lama di titik-titik dengan koordinat tersebut. Jika prinsip Pauli tidak ikut serta dalam penciptaan dunia, quark tidak akan dapat bergabung menjadi partikel-partikel individual yang terdefinisi dengan baik - proton dan neutron, yang pada gilirannya tidak dapat bergabung dengan elektron untuk membentuk atom-atom individual yang terdefinisi dengan baik. Tanpa prinsip Pauli, semua partikel ini akan hancur dan berubah menjadi “jeli” yang kurang lebih homogen dan padat.

Tidak ada pemahaman yang tepat tentang elektron dan partikel spin-1/2 lainnya sampai tahun 1928, ketika Paul Dirac mengajukan teori untuk mendeskripsikan partikel-partikel ini. Selanjutnya, Dirac menerima kursi matematika di Cambridge (yang pernah dipegang Newton dan sekarang saya pegang). Teori Dirac adalah teori pertama yang konsisten dengan mekanika kuantum dan relativitas khusus. Ia memberikan penjelasan matematis mengapa spin elektron sama dengan 1/2, yaitu mengapa ketika elektron berputar satu kali, ia tidak mengambil bentuk semula, tetapi ketika berputar dua kali, ia berubah bentuk. Teori Dirac juga memperkirakan bahwa elektron harus memiliki pasangan - antielektron, atau dengan kata lain, positron. Penemuan positron pada tahun 1932 membenarkan teori Dirac, dan pada tahun 1933 ia menerima Hadiah Nobel Fisika. Kita sekarang tahu bahwa setiap partikel mempunyai antipartikel yang dapat memusnahkannya. (Dalam hal partikel yang memberikan interaksi, partikel dan antipartikel adalah satu dan sama). Mungkin ada seluruh antikata dan antimanusia yang terdiri dari antipartikel. Namun jika bertemu dengan orang yang anti diri, jangan pernah berpikir untuk menjabat tangannya! Akan ada kilatan cahaya yang menyilaukan dan kalian berdua akan menghilang. Pertanyaan yang sangat penting adalah mengapa ada lebih banyak partikel di sekitar kita daripada antipartikel. Kita akan membahasnya lagi nanti di bab ini.

Dalam mekanika kuantum, semua gaya, atau interaksi, antar partikel materi diasumsikan dibawa oleh partikel dengan putaran bilangan bulat 0, 1, atau 2. Partikel materi, seperti elektron atau quark, memancarkan partikel yang membawa kekuatan. Akibat mundurnya, kecepatan suatu partikel materi berubah. Kemudian partikel pembawa bertabrakan dengan partikel lain dari zat tersebut dan diserap olehnya. Tumbukan ini mengubah kecepatan partikel kedua, seolah-olah ada gaya yang bekerja antara dua partikel materi.

Partikel pembawa interaksi memiliki satu sifat penting: mereka tidak mematuhi prinsip pengecualian Pauli. Artinya tidak ada batasan jumlah partikel yang dipertukarkan, sehingga gaya interaksi yang dihasilkan bisa besar. Tetapi jika massa partikel pembawa besar, maka penciptaan dan pertukarannya pada jarak yang jauh akan sulit. Dengan demikian, kekuatan yang mereka bawa akan bersifat jangka pendek. Jika partikel pembawa tidak memiliki massanya sendiri, maka akan timbul gaya jarak jauh. Partikel pembawa yang dipertukarkan antar partikel materi disebut maya karena, tidak seperti partikel nyata, partikel tersebut tidak dapat dideteksi secara langsung menggunakan detektor partikel. Namun, kita tahu bahwa partikel maya ada karena mereka menciptakan efek terukur: partikel maya menciptakan gaya antar partikel materi. Dalam kondisi tertentu, partikel dengan spin 0, 1, 2 juga ada sebagai partikel nyata; kemudian bisa langsung didaftarkan. Dari sudut pandang fisika klasik, partikel-partikel tersebut muncul pada kita dalam bentuk gelombang, misalnya cahaya atau gravitasi. Mereka kadang-kadang dipancarkan selama interaksi partikel suatu zat, yang terjadi karena pertukaran partikel pembawa interaksi. (Misalnya, gaya listrik yang saling tolak menolak antara dua elektron timbul dari pertukaran foton maya, yang tidak dapat dideteksi secara langsung. Namun jika elektron terbang melewati satu sama lain, foton nyata dapat dipancarkan, yang akan dideteksi sebagai gelombang cahaya. )

Partikel pembawa dapat dibagi menjadi empat jenis tergantung pada besarnya interaksi yang dibawanya dan partikel apa yang berinteraksi dengannya. Kami menekankan bahwa pembagian seperti itu sepenuhnya dibuat-buat; Ini adalah skema yang cocok untuk mengembangkan teori-teori tertentu; mungkin tidak ada yang lebih serius di dalamnya. Kebanyakan fisikawan berharap bahwa pada akhirnya akan mungkin untuk menciptakan teori terpadu yang menyatakan keempat gaya tersebut merupakan variasi dari gaya yang sama. Bahkan banyak yang melihat ini sebagai tujuan utama fisika modern. Baru-baru ini, upaya untuk menyatukan ketiga kekuatan tersebut berhasil. Saya akan membicarakannya lebih lanjut di bab ini. Kita akan membahasnya nanti tentang bagaimana keadaannya dengan dimasukkannya gravitasi dalam penyatuan tersebut.

Jadi, jenis gaya yang pertama adalah gaya gravitasi. Gaya gravitasi bersifat universal. Artinya setiap partikel berada di bawah pengaruh gaya gravitasi yang besarnya bergantung pada massa atau energi partikel tersebut. Gravitasi jauh lebih lemah dibandingkan ketiga gaya lainnya. Ini adalah gaya yang sangat lemah yang tidak akan kita sadari sama sekali jika bukan karena dua sifat spesifiknya: gaya gravitasi bekerja dalam jarak yang jauh dan selalu merupakan gaya tarik menarik. Akibatnya, gaya interaksi gravitasi yang sangat lemah antara partikel individu dalam dua benda besar, seperti Bumi dan Matahari, dapat menghasilkan gaya yang sangat besar. Tiga jenis interaksi lainnya hanya terjadi pada jarak pendek, atau bersifat menjijikkan atau menarik, yang umumnya mengarah pada kompensasi. Dalam pendekatan mekanika kuantum terhadap medan gravitasi, gaya gravitasi antara dua partikel materi dianggap dibawa oleh partikel spin-2 yang disebut graviton. Graviton tidak memiliki massanya sendiri, sehingga gaya yang dibawanya bersifat jangka panjang. Interaksi gravitasi antara Matahari dan Bumi dijelaskan oleh fakta bahwa partikel-partikel penyusun Bumi dan Matahari bertukar gravitasi. Meskipun hanya partikel virtual yang ikut serta dalam pertukaran tersebut, efek yang ditimbulkannya tentu dapat diukur, karena efek tersebut adalah rotasi Bumi mengelilingi Matahari! Graviton nyata merambat dalam bentuk gelombang, yang dalam fisika klasik disebut gelombang gravitasi, namun gelombang tersebut sangat lemah dan sangat sulit untuk dicatat sehingga belum ada yang berhasil melakukannya.

Jenis interaksi berikutnya diciptakan oleh gaya elektromagnetik yang bekerja antara partikel bermuatan listrik, seperti elektron dan quark, namun tidak bertanggung jawab atas interaksi partikel tak bermuatan seperti graviton. Interaksi elektromagnetik jauh lebih kuat daripada interaksi gravitasi: gaya elektromagnetik yang bekerja antara dua elektron adalah sekitar satu juta juta juta juta juta juta juta (satu diikuti oleh empat puluh dua angka nol) kali lebih besar daripada gaya gravitasi. Tapi ada dua jenis muatan listrik - positif dan negatif. Di antara dua muatan positif, seperti halnya antara dua muatan negatif, terdapat gaya tolak menolak, dan antara muatan positif dan negatif terdapat gaya tarik menarik. Pada benda-benda besar, seperti Bumi atau Matahari, kandungan muatan positif dan negatif hampir sama, sehingga gaya tarik-menarik dan tolak-menolak hampir saling meniadakan, dan hanya tersisa sedikit gaya elektromagnetik murni. Namun, pada atom dan molekul skala kecil, gaya elektromagnetik mendominasi. Karena tarikan elektromagnetik antara elektron bermuatan negatif dan proton bermuatan positif di dalam inti, elektron dalam atom berputar mengelilingi inti dengan cara yang persis sama seperti tarikan gravitasi yang menyebabkan Bumi berputar mengelilingi Matahari. Tarik-menarik elektromagnetik digambarkan sebagai hasil pertukaran sejumlah besar partikel spin-1 tak bermassa maya yang disebut foton. Seperti halnya graviton, foton yang melakukan pertukaran bersifat maya, tetapi ketika elektron berpindah dari satu orbit yang diizinkan ke orbit lain yang terletak lebih dekat ke inti, energi dilepaskan dan sebagai hasilnya foton nyata dipancarkan, yang pada panjang gelombang yang sesuai. , dapat diamati oleh mata manusia sebagai cahaya tampak, atau menggunakan semacam detektor foton, seperti film fotografi. Demikian pula, ketika foton nyata bertabrakan dengan atom, elektron dapat berpindah dari satu orbit ke orbit lain, lebih jauh dari inti. Transisi ini terjadi karena energi foton yang diserap oleh atom. Jenis interaksi ketiga disebut interaksi lemah. Ia bertanggung jawab atas radioaktivitas dan ada di antara semua partikel materi dengan spin 1/2, tetapi partikel dengan spin 0, 1, 2 - foton dan graviton - tidak berpartisipasi di dalamnya. Sebelum tahun 1967, sifat-sifat gaya lemah masih kurang dipahami, dan pada tahun 1967 Abdus Salam, ahli teori dari Imperial College London, dan Steven Weinberg dari Universitas Harvard secara bersamaan mengajukan teori yang menggabungkan gaya lemah dengan gaya elektromagnetik dengan cara yang sama seperti a seratus tahun sebelumnya Maxwell menggabungkan listrik dan magnet. Weinberg dan Salam mengusulkan bahwa selain foton, ada tiga partikel spin-1 lagi, yang secara kolektif disebut boson vektor berat, yang membawa gaya lemah. Boson-boson ini diberi nama W+, W–, dan Z0, dan masing-masing memiliki massa 100 GeV (GeV adalah singkatan dari gigaelektronvolt, yaitu seribu juta elektronvolt). Teori Weinberg-Salam mempunyai sifat yang disebut pemutusan simetri spontan. Artinya, partikel-partikel yang sangat berbeda pada energi rendah ternyata merupakan partikel yang sama pada energi tinggi, tetapi dalam keadaan berbeda. Hal ini dalam beberapa hal mirip dengan perilaku bola saat bermain roulette. Pada semua energi tinggi (yaitu, dengan putaran roda yang cepat), bola selalu berperilaku hampir sama - ia berputar tanpa henti. Namun saat roda melambat, energi bola berkurang dan akhirnya jatuh ke salah satu dari tiga puluh tujuh alur pada roda. Dengan kata lain, pada energi rendah, bola dapat berada di tiga puluh tujuh keadaan. Jika karena alasan tertentu kita hanya dapat mengamati bola pada energi rendah, kita akan berpikir bahwa ada tiga puluh tujuh jenis bola yang berbeda!

Teori Weinberg-Salam memperkirakan bahwa pada energi jauh di atas 100 GeV, ketiga partikel baru dan foton akan berperilaku identik, namun pada energi partikel yang lebih rendah, yaitu, dalam situasi yang paling umum, “simetri” ini akan rusak. Massa boson W+, W–, dan Z0 diperkirakan besar sehingga gaya yang ditimbulkannya memiliki rentang aksi yang sangat pendek. Ketika Weinberg dan Salam mengemukakan teorinya, hanya sedikit orang yang mempercayainya, dan dengan akselerator berdaya rendah pada masa itu, mustahil mencapai energi sebesar 100 GeV yang diperlukan untuk produksi partikel W+, W–, dan Z0 yang sebenarnya. Namun, sepuluh tahun kemudian, prediksi yang diperoleh dalam teori ini pada energi rendah dikonfirmasi dengan baik secara eksperimental sehingga Weinberg dan Salam dianugerahi Hadiah Nobel pada tahun 1979 bersama dengan Sheldon Glashow (juga dari Harvard), yang mengusulkan teori terpadu serupa tentang energi elektromagnetik dan energi lemah. interaksi nuklir. Komite Hadiah Nobel terhindar dari rasa malu yang mungkin timbul jika terbukti melakukan kesalahan dengan penemuan tiga mitra foton masif di CERN pada tahun 1983 dengan massa yang benar dan karakteristik prediksi lainnya. Carlo Rubbia, yang memimpin tim yang terdiri dari beberapa ratus fisikawan yang membuat penemuan ini, menerima Hadiah Nobel 1984, yang diberikan kepadanya bersama dengan insinyur CERN Simon Van der Meer, penulis cincin penyimpanan antipartikel yang digunakan dalam eksperimen tersebut. (Sangat sulit untuk berhasil dalam fisika eksperimental saat ini kecuali Anda sudah berada di puncak!).

Gaya nuklir kuat adalah gaya tipe 4 yang menjaga quark tetap berada di dalam proton dan neutron, serta proton dan neutron di dalam inti atom. Pembawa interaksi kuat dianggap partikel lain dengan spin 1, yang disebut gluon.

Gluon hanya berinteraksi dengan quark dan gluon lainnya. Interaksi yang kuat memiliki satu sifat yang luar biasa - ia memiliki pengurungan (pengurungan - pembatasan, retensi (Bahasa Inggris). - Ed.).

Pengurungan adalah partikel selalu berada dalam kombinasi tak berwarna. Sebuah quark tidak dapat berdiri sendiri, karena ia harus memiliki warna (merah, hijau, atau biru). Oleh karena itu, quark merah harus digabungkan dengan quark hijau dan biru melalui “jet” gluon (merah + hijau + biru = putih). Triplet tersebut ternyata adalah proton atau neutron. Ada kemungkinan lain, ketika quark dan antiquark dipasangkan (merah + anti-merah, atau hijau + anti-hijau, atau biru + anti-biru = putih). Kombinasi tersebut membentuk partikel yang disebut meson. Partikel-partikel ini tidak stabil karena quark dan antiquark dapat saling memusnahkan membentuk elektron dan partikel lainnya. Demikian pula, gluon tunggal tidak dapat berdiri sendiri karena terkurung, karena gluon juga mempunyai warna. Oleh karena itu, gluon harus dikelompokkan sedemikian rupa sehingga warnanya menjadi putih. Kelompok gluon yang dijelaskan membentuk partikel yang tidak stabil - bola lem.

Kita tidak dapat mengamati satu kuark atau gluon karena terkurung. Bukankah ini berarti gagasan tentang quark dan gluon sebagai partikel bersifat metafisik? Tidak, karena interaksi kuat dicirikan oleh sifat lain yang disebut kebebasan asimtotik. Berkat sifat ini, konsep quark dan gluon menjadi sangat pasti. Pada energi biasa, interaksi kuat memang kuat dan menekan quark dengan erat. Namun, seperti yang ditunjukkan oleh eksperimen pada akselerator kuat, pada energi tinggi interaksi kuat melemah secara nyata dan quark serta gluon mulai berperilaku hampir seperti partikel bebas. Pada Gambar. Gambar 5.2 menunjukkan foto tumbukan proton-antiproton berenergi tinggi. Kita melihat bahwa beberapa quark yang hampir bebas, yang lahir sebagai hasil interaksi, membentuk “pancaran” jejak yang terlihat di foto.

Keberhasilan penyatuan interaksi elektromagnetik dan interaksi lemah menghasilkan upaya untuk menggabungkan kedua jenis interaksi ini dengan interaksi kuat, sehingga menghasilkan apa yang disebut teori terpadu besar. Ada beberapa hal yang dibesar-besarkan dalam nama ini: pertama, teori-teori terpadu yang besar tidak terlalu bagus, dan kedua, teori-teori tersebut tidak sepenuhnya menyatukan semua gaya karena tidak memasukkan gravitasi. Selain itu, semua teori tersebut sebenarnya belum lengkap karena mengandung parameter-parameter yang tidak dapat diprediksi secara teoritis dan harus dihitung dengan membandingkan hasil teoritis dan eksperimen. Namun demikian, teori-teori tersebut dapat menjadi langkah menuju teori penyatuan lengkap yang mencakup semua interaksi. Gagasan utama di balik penyusunan teori kesatuan besar adalah sebagai berikut: seperti telah disebutkan, interaksi kuat pada energi tinggi menjadi lebih lemah dibandingkan interaksi pada energi rendah. Pada saat yang sama, gaya elektromagnetik dan gaya lemah tidak bebas tanpa gejala, dan pada energi tinggi gaya tersebut meningkat. Kemudian, pada nilai energi yang sangat besar - pada energi penyatuan yang besar - ketiga gaya ini dapat menjadi setara satu sama lain dan menjadi variasi dari gaya yang sama. Teori penyatuan besar memperkirakan bahwa pada energi ini, partikel-partikel materi spin-1/2 yang berbeda, seperti kuark dan elektron, juga tidak lagi berbeda, yang merupakan langkah menuju penyatuan.

Nilai energi terpadu yang besar belum begitu diketahui, namun setidaknya harus seribu juta juta GeV. Pada akselerator generasi saat ini, partikel dengan energi sekitar 100 GeV bertabrakan, dan dalam proyek mendatang nilai ini akan meningkat hingga beberapa ribu GeV. Namun untuk mempercepat partikel menjadi energi terpadu yang besar, diperlukan akselerator seukuran tata surya. Dalam situasi ekonomi saat ini, kecil kemungkinannya ada orang yang memutuskan untuk membiayainya. Inilah sebabnya mengapa pengujian eksperimental langsung terhadap teori-teori terpadu yang besar tidak mungkin dilakukan. Namun di sini, seperti teori terpadu elektrolemah, terdapat konsekuensi energi rendah yang dapat diuji.

Konsekuensi yang paling menarik adalah proton, yang menyusun sebagian besar massa materi biasa, dapat secara spontan meluruh menjadi partikel yang lebih ringan seperti antielektron. Alasannya adalah pada energi terpadu besar tidak ada perbedaan yang signifikan antara quark dan antielektron. Tiga quark di dalam proton biasanya tidak memiliki energi yang cukup untuk berubah menjadi antielektron, tetapi salah satu quark, secara kebetulan, suatu hari nanti dapat menerima energi yang cukup untuk transformasi ini, karena karena prinsip ketidakpastian, tidak mungkin mencatat energi secara akurat. quark di dalam proton. Kemudian proton harus meluruh, namun kemungkinan bahwa quark akan mempunyai energi yang cukup sangatlah kecil sehingga penantiannya harus paling sedikit satu juta juta juta juta juta juta (satu diikuti oleh tiga puluh angka nol) tahun, yang jauh lebih lama daripada waktu yang telah berlalu sejak big bang. yang tidak melebihi sepuluh ribu juta tahun atau sekitar itu (satu diikuti sepuluh angka nol). Hal ini menunjukkan kesimpulan bahwa kemungkinan peluruhan proton secara spontan tidak dapat diverifikasi secara eksperimental. Namun, kemungkinan mengamati peluruhan proton dapat ditingkatkan dengan mempelajari jumlah proton yang sangat besar. (Dengan mengamati, misalnya, 1 dengan tiga puluh satu proton nol selama satu tahun, kita dapat berharap untuk mendeteksi, menurut salah satu teori penyatuan besar yang paling sederhana, lebih dari satu peluruhan proton).

Beberapa percobaan serupa telah dilakukan, namun tidak memberikan informasi pasti tentang peluruhan proton atau neutron. Salah satu percobaan, yang menggunakan delapan ribu ton air, dilakukan di sebuah tambang garam di Ohio (untuk menghilangkan gangguan kosmik yang dapat disalahartikan sebagai peluruhan proton). Karena tidak ada peluruhan proton yang terdeteksi selama keseluruhan percobaan, maka dapat dihitung bahwa masa hidup proton harus lebih dari sepuluh juta juta juta juta juta juta (satu diikuti tiga puluh satu angka nol) tahun. Hasil ini melebihi prediksi teori terpadu besar yang paling sederhana, namun ada teori yang lebih kompleks yang memberikan perkiraan lebih tinggi. Untuk memverifikasinya, diperlukan eksperimen yang lebih tepat dengan jumlah zat yang lebih besar.

Terlepas dari kesulitan dalam mengamati peluruhan proton, ada kemungkinan bahwa keberadaan kita adalah konsekuensi dari proses sebaliknya - pembentukan proton atau, lebih sederhananya, quark pada tahap paling awal, ketika tidak ada lagi quark selain antiquark. Gambaran awal mula alam semesta ini tampaknya paling alami. Materi bumi sebagian besar terdiri dari proton dan neutron, yang pada gilirannya terbuat dari quark, namun tidak ada antiproton atau antineutron, yang terbuat dari antiquark, kecuali beberapa yang dihasilkan dalam akselerator besar. Eksperimen dengan sinar kosmik menegaskan bahwa hal yang sama berlaku untuk semua materi di Galaksi kita: tidak ada antiproton atau antineutron, kecuali sejumlah kecil antipartikel yang muncul sebagai akibat terciptanya pasangan partikel-antipartikel dalam tumbukan partikel pada energi tinggi. . Jika terdapat area antimateri yang luas di Galaksi kita, maka kita akan memperkirakan adanya radiasi yang kuat pada antarmuka antara materi dan antimateri, di mana akan terjadi banyak tumbukan partikel dan antipartikel, yang jika dimusnahkan, akan memancarkan radiasi berenergi tinggi.

Kita tidak mempunyai indikasi langsung apakah materi galaksi lain terdiri dari proton dan neutron atau antiproton dan antineutron, tetapi materi tersebut harus terdiri dari partikel-partikel yang berjenis sama: dalam satu galaksi tidak boleh terdapat campuran partikel dan antipartikel, karena sebagai akibatnya dari pemusnahan mereka, radiasi yang kuat akan dipancarkan. Oleh karena itu kami percaya bahwa semua galaksi terbuat dari quark, bukan antiquark; Tidak mungkin beberapa galaksi terdiri dari materi dan yang lainnya terdiri dari antimateri.

Namun mengapa jumlah quark lebih banyak daripada antiquark? Mengapa jumlahnya tidak sama? Kita sangat beruntung hal ini terjadi, karena jika jumlah quark dan antiquark sama, maka hampir semua quark dan antiquark akan saling memusnahkan di alam semesta awal, mengisinya dengan radiasi, namun hampir tidak menyisakan materi apa pun. Tidak akan ada galaksi, tidak ada bintang, tidak ada planet tempat kehidupan manusia dapat berkembang. Teori-teori besar yang terpadu dapat menjelaskan mengapa sekarang seharusnya terdapat lebih banyak quark di Alam Semesta daripada antiquark, meskipun pada awalnya jumlah mereka sama. Seperti yang telah kita ketahui, dalam teori besar terpadu pada energi tinggi, quark dapat berubah menjadi antielektron. Proses sebaliknya juga mungkin terjadi, ketika antiquark berubah menjadi elektron, dan elektron serta antielektron berubah menjadi antiquark dan quark. Dahulu kala, pada tahap awal perkembangan Alam Semesta, suhunya sangat panas sehingga energi partikel cukup untuk transformasi tersebut. Namun mengapa hal ini menghasilkan lebih banyak quark daripada antiquark? Alasannya terletak pada kenyataan bahwa hukum fisika tidak persis sama untuk partikel dan antipartikel.

Hingga tahun 1956, diyakini bahwa hukum fisika adalah invarian dalam tiga transformasi simetri - C, P dan T. Simetri C berarti semua hukum adalah sama untuk partikel dan antipartikel. Simetri P berarti bahwa hukum fisika adalah sama untuk fenomena apa pun dan untuk pantulan cerminnya (bayangan cermin dari sebuah partikel yang berputar searah jarum jam akan menjadi partikel yang berputar berlawanan arah jarum jam). Terakhir, arti dari simetri T adalah ketika arah gerak semua partikel dan antipartikel dibalik, sistem akan kembali ke keadaan semula; dengan kata lain, hukum-hukumnya tetap sama baik bergerak maju maupun mundur dalam waktu.

Pada tahun 1956, dua fisikawan Amerika, Tzundao Li dan Zhenning Yang, menyatakan bahwa interaksi lemah sebenarnya tidak invarian dalam transformasi P. Dengan kata lain, akibat interaksi yang lemah, perkembangan Alam Semesta mungkin berlangsung berbeda dengan perkembangan bayangan cerminnya. Pada tahun yang sama, Jinxiang Wu, rekan Li dan Yang, mampu membuktikan bahwa anggapan mereka benar. Dengan mengatur inti atom radioaktif dalam medan magnet sehingga putarannya searah, ia menunjukkan bahwa lebih banyak elektron yang dipancarkan ke satu arah dibandingkan ke arah lain. Tahun berikutnya, Lee dan Yang dianugerahi Hadiah Nobel atas penemuan mereka. Ternyata interaksi lemah juga tidak mengikuti simetri C. Artinya alam semesta yang terdiri dari antipartikel akan berperilaku berbeda dengan alam semesta kita. Namun, bagi semua orang tampaknya interaksi yang lemah harus tetap mematuhi simetri gabungan CP, yaitu perkembangan Alam Semesta harus terjadi dengan cara yang sama seperti perkembangan pantulan cerminnya, jika, setelah memantulkannya di cermin, kita ganti juga setiap partikel dengan antipartikel! Namun pada tahun 1964, dua orang Amerika lainnya, James Cronin dan Vel Fitch, menemukan bahwa simetri CP pun rusak akibat peluruhan partikel yang disebut K meson.

Hasilnya, pada tahun 1980, Cronin dan Fitch menerima Hadiah Nobel atas karya mereka. (Betapa banyaknya hadiah yang telah diberikan untuk karya-karya yang menunjukkan bahwa Alam Semesta tidak sesederhana yang kita kira).

Ada teorema matematika yang menyatakan bahwa teori apa pun yang mematuhi mekanika kuantum dan relativitas harus selalu invarian di bawah gabungan simetri CPT. Dengan kata lain, perilaku Alam Semesta tidak akan berubah jika Anda mengganti partikel dengan antipartikel, memantulkan segala sesuatu di cermin, dan juga membalikkan arah waktu. Namun Cronin dan Fitch menunjukkan bahwa jika Anda mengganti partikel dengan antipartikel dan menghasilkan bayangan cermin, namun tidak membalikkan arah waktu, alam semesta akan berperilaku berbeda. Akibatnya, ketika waktu dibalik, hukum fisika harus berubah, yaitu hukum tersebut tidak invarian terhadap simetri T.

Jelas bahwa di alam semesta awal, simetri T rusak: ketika waktu bergerak maju, alam semesta mengembang, dan jika waktu berjalan mundur, alam semesta akan mulai berkontraksi. Dan karena terdapat gaya-gaya yang tidak invarian terhadap simetri T, maka ketika Alam Semesta mengembang di bawah pengaruh gaya-gaya ini, antielektron akan lebih sering berubah menjadi quark daripada elektron menjadi antiquark. Kemudian, ketika Alam Semesta mengembang dan mendingin, antiquark dan quark akan musnah, namun karena jumlah quark lebih banyak daripada antiquark, jumlah quark akan sedikit berlebih. Dan mereka adalah quark yang membentuk materi masa kini yang kita lihat dan dari mana kita diciptakan. Dengan demikian, keberadaan kita dapat dianggap sebagai konfirmasi terhadap teori unifikasi besar, meskipun hanya sebagai konfirmasi kualitatif. Ketidakpastian muncul karena kita tidak dapat memprediksi berapa banyak quark yang tersisa setelah pemusnahan, atau bahkan apakah partikel yang tersisa tersebut adalah quark atau antiquark. (Benar, jika masih ada sisa barang antik berlebih, kami cukup mengganti namanya menjadi quark, dan quark menjadi antiquark).

Teori terpadu yang besar tidak mencakup interaksi gravitasi. Hal ini tidak terlalu signifikan, karena gaya gravitasi sangat kecil sehingga pengaruhnya dapat diabaikan begitu saja

Presentasi dengan topik “Partikel Elementer” dalam Fisika dalam format powerpoint. Presentasi untuk anak sekolah kelas 11 ini menjelaskan fisika partikel dasar dan mensistematisasikan pengetahuan tentang topik tersebut. Tujuan dari pekerjaan ini adalah untuk mengembangkan pemikiran abstrak, ekologis dan ilmiah siswa berdasarkan gagasan tentang partikel elementer dan interaksinya. Penulis presentasi: Popova I.A., guru fisika.

Fragmen dari presentasi

Berapa banyak unsur dalam tabel periodik?

• Hanya 92.
• Bagaimana? Apakah masih ada lagi?
• Benar, tetapi sisanya diperoleh secara artifisial; tidak terjadi di alam.
• Jadi - 92 atom. Molekul juga dapat dibuat darinya, mis. zat!
• Namun fakta bahwa semua zat terdiri dari atom dikemukakan oleh Democritus (400 SM).
• Dia adalah seorang musafir yang hebat, dan pepatah favoritnya adalah:
• "Tidak ada yang ada kecuali atom dan ruang murni, yang lainnya hanyalah pemandangan"

Garis waktu fisika partikel

• Fisikawan teoretis menghadapi tugas tersulit dalam mengurutkan seluruh “kebun binatang” partikel yang ditemukan dan mencoba mengurangi jumlah partikel fundamental seminimal mungkin, membuktikan bahwa partikel lain terdiri dari partikel fundamental.
• Semua partikel ini tidak stabil, mis. membusuk menjadi partikel bermassa lebih rendah, akhirnya menjadi proton, elektron, foton, dan neutrino (dan antipartikelnya) yang stabil.
• Yang ketiga adalah ini. M. Gell-Mann dan secara mandiri J. Zweig mengusulkan model struktur partikel yang berinteraksi kuat dari partikel fundamental - quark
• Model ini kini telah berubah menjadi teori yang koheren tentang semua jenis interaksi partikel yang diketahui.

Bagaimana cara mendeteksi partikel elementer?

Biasanya, jejak (lintasan atau jejak) yang ditinggalkan partikel dipelajari dan dianalisis menggunakan foto.

Klasifikasi partikel elementer

Semua partikel dibagi menjadi dua kelas:

• Fermion, yang menyusun materi;
• Boson tempat terjadinya interaksi.

Quark

• Quark berpartisipasi dalam interaksi kuat, serta interaksi lemah dan elektromagnetik.
• Gell-Mann dan Georg Zweig mengusulkan model quark pada tahun 1964.
• Prinsip Pauli: dalam satu sistem partikel yang saling berhubungan tidak akan pernah ada setidaknya dua partikel dengan parameter yang sama jika partikel-partikel tersebut memiliki putaran setengah bilangan bulat.

Apa itu putaran?

• Putaran menunjukkan bahwa ada ruang keadaan yang tidak ada hubungannya dengan pergerakan partikel di ruang biasa;
• Putaran (dari bahasa Inggris to spin - to spin) sering disamakan dengan momentum sudut dari "puncak yang berputar cepat" - ini tidak benar!
• Putaran adalah karakteristik kuantum internal sebuah partikel yang tidak memiliki analogi dalam mekanika klasik;
• Putaran (dari bahasa Inggris spin - twirl, rotasi) adalah momentum sudut intrinsik partikel elementer, yang bersifat kuantum dan tidak berhubungan dengan pergerakan partikel secara keseluruhan.

Empat jenis interaksi fisik

• gravitasi,
• elektromagnetik,
• lemah,
• kuat.

• Interaksi yang lemah- mengubah sifat internal partikel.
• Interaksi yang kuat- mengetahui berbagai reaksi nuklir, serta munculnya gaya-gaya yang mengikat neutron dan proton dalam inti atom.

Sifat-sifat quark

• Quark memiliki sifat yang disebut muatan warna.
• Ada tiga jenis muatan warna, yang secara konvensional disebut sebagai
• biru,
• hijau
• Merah.
• Setiap warna memiliki pelengkap berupa anti warnanya masing-masing – anti biru, anti hijau, dan anti merah.
• Berbeda dengan quark, antiquark tidak memiliki warna, melainkan anticolor, yaitu muatan warna yang berlawanan.

Sifat-sifat quark: massa

• Quark memiliki dua jenis massa utama, yang ukurannya berbeda:
• massa quark saat ini, diperkirakan dalam proses dengan transfer momentum kuadrat 4 yang signifikan, dan
• massa struktural (blok, massa penyusun); juga mencakup massa medan gluon di sekitar quark dan diperkirakan dari massa hadron dan komposisi quarknya.

Sifat quark: rasa

• Setiap rasa (tipe) quark dicirikan oleh bilangan kuantum seperti
• isospin Iz,
• keanehan S,
• pesona C,
• pesona (kedalaman, keindahan) B′,
• kebenaran (ketinggian) T.

Tugas

• Energi apa yang dilepaskan selama pemusnahan elektron dan positron?
• Energi apa yang dilepaskan selama pemusnahan proton dan antiproton?
• Proses nuklir apa yang menghasilkan neutrino?
  • A. Selama α - peluruhan.
  • B. Selama β - peluruhan.
  • B. Saat memancarkan γ - kuanta.
• Proses nuklir apa yang menghasilkan antineutrino?
  • A. Selama α - peluruhan.
  • B. Selama β - peluruhan.
  • B. Saat memancarkan γ - kuanta.
  • D. Selama transformasi nuklir apa pun
• Proton terdiri dari...
  • A. . . .neutron, positron dan neutrino.
  • B. . . .mesons.
  • DI DALAM. . . .quark.
  • D. Proton tidak memiliki bagian penyusunnya.
• Neutron terdiri dari...
  • A. . . .proton, elektron dan neutrino.
  • B. . . .mesons.
  • DI DALAM. . . . quark.
  • D. Neutron tidak mempunyai bagian penyusunnya.
• Apa yang dibuktikan oleh eksperimen Davisson dan Germer?
  • A. Sifat kuantum penyerapan energi oleh atom.
  • B. Sifat kuantum emisi energi oleh atom.
  • B. Sifat gelombang cahaya.
  • D. Sifat gelombang elektron.
• Manakah dari rumus berikut yang menentukan panjang gelombang de Broglie untuk sebuah elektron (m dan v adalah massa dan kecepatan elektron)?

Tes

• Sistem fisika apa yang terbentuk dari partikel elementer sebagai hasil interaksi elektromagnetik? A.Elektron, proton. B.Inti atom. B. Atom, molekul materi dan antipartikel.
• Dilihat dari interaksinya, semua partikel dibagi menjadi tiga jenis: A. Meson, foton dan lepton. B. Foton, lepton dan baryon. B. Foton, lepton dan hadron.
• Apa faktor utama keberadaan partikel elementer? A. Transformasi timbal balik. B.Stabilitas. B. Interaksi partikel satu sama lain.
• Interaksi apa yang menentukan kestabilan inti atom? A.Gravitasi. B. Elektromagnetik. B.Nuklir. D.Lemah.
• Apakah ada partikel yang tidak dapat diubah di alam? A.Ada. B.Mereka tidak ada.
• Realitas transformasi materi menjadi medan elektromagnetik: A. Dikonfirmasi oleh pengalaman pemusnahan elektron dan positron. B. Dikonfirmasi oleh percobaan pemusnahan elektron dan proton.
• Reaksi transformasi materi menjadi medan: A. e + 2γ→e+ B. e + 2γ→e- C. e+ +e- =2γ.
• Interaksi apa yang menyebabkan transformasi partikel elementer menjadi satu sama lain? A. Interaksi yang kuat. B.Gravitasi. B. Interaksi lemah D. Kuat, lemah, elektromagnetik.

Jawaban atas pertanyaan yang sedang berlangsung: partikel terkecil apa di Alam Semesta yang berevolusi bersama umat manusia.

Orang-orang pernah berpikir bahwa butiran pasir adalah bahan penyusun dari apa yang kita lihat di sekitar kita. Atom kemudian ditemukan dan dianggap tidak dapat dibagi lagi hingga akhirnya terpecah untuk mengungkapkan proton, neutron, dan elektron di dalamnya. Mereka juga bukanlah partikel terkecil di Alam Semesta, karena para ilmuwan menemukan bahwa proton dan neutron masing-masing terdiri dari tiga kuark.

Sejauh ini, para ilmuwan belum dapat melihat bukti apa pun bahwa ada sesuatu di dalam quark dan bahwa lapisan materi paling mendasar atau partikel terkecil di Alam Semesta telah tercapai.

Dan meskipun quark dan elektron tidak dapat dibagi lagi, para ilmuwan tidak mengetahui apakah keduanya merupakan materi terkecil yang pernah ada ataukah alam semesta berisi benda-benda yang bahkan lebih kecil lagi.

Partikel terkecil di alam semesta

Mereka mempunyai rasa dan ukuran yang berbeda-beda, beberapa memiliki koneksi yang luar biasa, yang lain pada dasarnya saling menguap, banyak dari mereka memiliki nama yang fantastis: quark yang terdiri dari baryon dan meson, neutron dan proton, nukleon, hiperon, meson, baryon, nukleon, foton, dll..d.

Higgs boson adalah partikel yang sangat penting bagi sains sehingga disebut “partikel Tuhan”. Dipercayai bahwa itu menentukan massa semua benda lainnya. Unsur ini pertama kali diteorikan pada tahun 1964 ketika para ilmuwan bertanya-tanya mengapa beberapa partikel lebih masif dibandingkan partikel lainnya.

Higgs boson dikaitkan dengan apa yang disebut medan Higgs, yang diyakini memenuhi Alam Semesta. Dua elemen (kuantum medan Higgs dan boson Higgs) bertanggung jawab memberikan massa pada elemen lainnya. Dinamakan setelah ilmuwan Skotlandia Peter Higgs. Dengan bantuan tanggal 14 Maret 2013, konfirmasi keberadaan Higgs Boson resmi diumumkan.

Banyak ilmuwan berpendapat bahwa mekanisme Higgs telah memecahkan bagian teka-teki yang hilang untuk melengkapi “model standar” fisika yang ada, yang menggambarkan partikel yang diketahui.

Higgs boson pada dasarnya menentukan massa segala sesuatu yang ada di alam semesta.

Quark

Quark (artinya quark) adalah bahan penyusun proton dan neutron. Mereka tidak pernah sendirian, hanya ada dalam kelompok. Rupanya, gaya yang mengikat quark bertambah seiring dengan jarak, jadi semakin jauh Anda melangkah, semakin sulit memisahkannya. Oleh karena itu, quark bebas tidak pernah ada di alam.

Quark adalah partikel fundamental tidak berstruktur, runcing berukuran sekitar 10−16 cm.

Misalnya, proton dan neutron terdiri dari tiga quark, dengan proton mengandung dua quark yang identik, sedangkan neutron memiliki dua quark yang berbeda.

Supersimetri

Diketahui bahwa “bahan penyusun” dasar materi, fermion, adalah quark dan lepton, dan penjaga gaya, boson, adalah foton dan gluon. Teori supersimetri mengatakan bahwa fermion dan boson dapat berubah menjadi satu sama lain.

Teori prediksi menyatakan bahwa untuk setiap partikel yang kita ketahui, ada partikel terkait yang belum kita temukan. Misalnya, untuk elektron, ia adalah selekron, quark adalah squark, foton adalah photino, dan higgs adalah higgsino.

Mengapa kita tidak mengamati supersimetri di Alam Semesta ini sekarang? Para ilmuwan percaya bahwa mereka jauh lebih berat daripada sepupu mereka yang biasa dan semakin berat mereka, semakin pendek umur mereka. Faktanya, mereka mulai runtuh begitu muncul. Menciptakan supersimetri membutuhkan energi yang cukup besar, yang hanya ada sesaat setelah Big Bang dan mungkin bisa tercipta dalam akselerator besar seperti Large Hadron Collider.

Mengenai alasan munculnya simetri, fisikawan berteori bahwa simetri tersebut mungkin telah rusak di beberapa sektor tersembunyi di Alam Semesta yang tidak dapat kita lihat atau sentuh, namun hanya dapat kita rasakan secara gravitasi.

Neutrino

Neutrino adalah partikel subatom ringan yang bersiul kemana-mana dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Faktanya, triliunan neutrino mengalir melalui tubuh Anda setiap saat, meskipun mereka jarang berinteraksi dengan materi normal.

Beberapa berasal dari matahari, sementara yang lain berasal dari sinar kosmik yang berinteraksi dengan atmosfer bumi dan sumber astronomi seperti ledakan bintang di Bima Sakti dan galaksi jauh lainnya.

Antimateri

Semua partikel normal dianggap memiliki antimateri dengan massa yang sama tetapi muatannya berlawanan. Ketika materi bertemu, mereka saling menghancurkan. Misalnya, partikel antimateri dari sebuah proton adalah antiproton, sedangkan pasangan antimateri dari sebuah elektron disebut positron. Antimateri adalah salah satu zat termahal di dunia yang dapat diidentifikasi oleh manusia.

Graviton

Dalam bidang mekanika kuantum, semua gaya fundamental disalurkan oleh partikel. Misalnya, cahaya terdiri dari partikel tak bermassa yang disebut foton, yang membawa gaya elektromagnetik. Begitu pula dengan graviton yang merupakan partikel teoretis yang membawa gaya gravitasi. Para ilmuwan belum mendeteksi graviton, yang sulit ditemukan karena interaksinya sangat lemah dengan materi.

Benang Energi

Dalam eksperimen, partikel kecil seperti quark dan elektron bertindak sebagai titik tunggal materi tanpa distribusi spasial. Tapi benda titik memperumit hukum fisika. Karena tidak mungkin untuk mendekati suatu titik secara tak terhingga, karena gaya yang bekerja bisa menjadi sangat besar.

Sebuah ide yang disebut teori superstring dapat memecahkan masalah ini. Teori ini menyatakan bahwa semua partikel, bukannya berbentuk titik, sebenarnya adalah benang-benang kecil energi. Artinya, semua benda di dunia kita terdiri dari benang-benang yang bergetar dan selaput energi. Tidak ada sesuatu pun yang bisa sangat dekat dengan benang, karena satu bagian akan selalu lebih dekat dibandingkan bagian lainnya. "Celah" ini tampaknya memecahkan beberapa masalah ketidakterbatasan, sehingga membuat gagasan tersebut menarik bagi fisikawan. Namun, para ilmuwan masih belum memiliki bukti eksperimental bahwa teori string benar.

Cara lain untuk memecahkan masalah titik adalah dengan mengatakan bahwa ruang itu sendiri tidak kontinu dan mulus, namun sebenarnya terdiri dari piksel atau butiran diskrit, kadang-kadang disebut struktur ruang-waktu. Dalam hal ini, kedua partikel tidak akan dapat saling mendekat tanpa batas waktu, karena harus selalu dipisahkan oleh ruang ukuran butir minimum.

Titik lubang hitam

Pesaing lain untuk mendapatkan gelar partikel terkecil di Alam Semesta adalah singularitas (satu titik) di pusat lubang hitam. Lubang hitam terbentuk ketika materi mengembun menjadi ruang yang cukup kecil sehingga gravitasi menyambar, menyebabkan materi tertarik ke dalam, akhirnya mengembun menjadi satu titik dengan kepadatan tak terbatas. Setidaknya menurut hukum fisika saat ini.

Namun sebagian besar ahli tidak menganggap lubang hitam benar-benar padat. Mereka percaya bahwa ketidakterbatasan ini adalah hasil dari konflik internal antara dua teori saat ini – relativitas umum dan mekanika kuantum. Mereka berpendapat bahwa ketika teori gravitasi kuantum dapat dirumuskan, sifat sebenarnya dari lubang hitam akan terungkap.

Panjang papan

Benang energi dan bahkan partikel terkecil di Alam Semesta bisa berukuran “panjang planck”.

Panjang batang adalah 1,6 x 10 -35 meter (angka 16 diawali dengan 34 angka nol dan titik desimal) - skala yang sangat kecil yang dikaitkan dengan berbagai aspek fisika.

Panjang Planck adalah “satuan alami” panjang yang diusulkan oleh fisikawan Jerman Max Planck.

Panjang Planck terlalu pendek untuk diukur oleh instrumen apa pun, tetapi lebih dari itu, panjang Planck diyakini mewakili batas teoritis dari panjang terukur terpendek. Menurut prinsip ketidakpastian, tidak boleh ada instrumen yang mampu mengukur sesuatu yang kurang dari itu, karena dalam rentang ini alam semesta bersifat probabilistik dan tidak pasti.

Skala ini juga dianggap sebagai garis pemisah antara relativitas umum dan mekanika kuantum.

Panjang Planck sesuai dengan jarak di mana medan gravitasi begitu kuat sehingga dapat mulai membuat lubang hitam dari energi medan tersebut.

Rupanya sekarang, partikel terkecil di Alam Semesta kira-kira seukuran papan: 1,6 x 10 −35 meter

kesimpulan

Dari bangku sekolah diketahui bahwa partikel terkecil di Alam Semesta, yaitu elektron, mempunyai muatan negatif dan massa yang sangat kecil, yaitu sebesar 9,109 x 10 - 31 kg, dan jari-jari klasik elektron adalah 2,82 x 10 -15 m.

Namun, fisikawan sudah beroperasi dengan partikel terkecil di Alam Semesta, yang berukuran Planck kira-kira 1,6 x 10 −35 meter.

Salah satu sifat utama partikel adalah kemampuannya untuk berubah menjadi satu sama lain, untuk dilahirkan dan dihancurkan sebagai hasil interaksi.
Penemuan positron, sebuah partikel yang karakteristiknya mirip dengan elektron, tetapi tidak seperti elektron, memiliki muatan satuan positif, merupakan peristiwa yang sangat penting dalam fisika. Pada tahun 1928, P. Dirac mengusulkan persamaan untuk menggambarkan mekanika kuantum relativistik elektron. Ternyata persamaan Dirac mempunyai dua solusi, baik energi positif maupun energi negatif. Keadaan energi negatif menggambarkan partikel yang mirip dengan elektron, tetapi bermuatan listrik positif. Positron adalah partikel pertama yang ditemukan dari seluruh kelas partikel yang disebut antipartikel. Sebelum ditemukannya positron, peran muatan positif dan negatif yang tidak setara di alam tampaknya tidak dapat dijelaskan. Mengapa ada proton yang berat dan bermuatan positif, tetapi tidak ada partikel berat yang massanya sama dengan proton dan bermuatan negatif? Tapi ada elektron ringan yang bermuatan negatif. Penemuan positron pada tahun 1932 pada dasarnya memulihkan simetri muatan partikel cahaya dan menghadapkan fisikawan dengan masalah dalam menemukan antipartikel untuk proton. Kejutan lainnya adalah positron merupakan partikel stabil dan dapat berada di ruang kosong tanpa batas. Namun, ketika elektron dan positron bertabrakan, mereka musnah. Elektron dan positron menghilang, dan sebagai gantinya lahirlah dua kuanta

e + + e - → 2γ

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

Terjadi transformasi partikel yang massa diamnya berbeda dari nol menjadi partikel yang massa diamnya nol (foton), yaitu. massa diam tidak kekal, tetapi diubah menjadi energi kinetik.
Bersamaan dengan proses pemusnahan, ditemukan pula proses pembentukan pasangan elektron-positron. Pasangan elektron-positron dengan mudah dihasilkan oleh -kuanta dengan energi beberapa MeV di medan Coulomb inti atom. Dalam fisika klasik, konsep partikel dan gelombang dibedakan secara tajam - beberapa benda fisik adalah partikel, sementara yang lain adalah gelombang. Transformasi pasangan elektron-positron menjadi foton memberikan konfirmasi tambahan terhadap gagasan bahwa terdapat banyak kesamaan antara radiasi dan materi. Proses pemusnahan dan kelahiran pasangan memaksa kita untuk memikirkan kembali apa itu partikel, yang sebelumnya disebut partikel elementer. Partikel tidak lagi menjadi “batu bata” yang tidak berubah dalam struktur materi. Sebuah konsep baru yang sangat mendalam mengenai transformasi timbal balik partikel telah muncul. Ternyata partikel bisa lahir dan menghilang, berubah menjadi partikel lain.
Dalam teori peluruhan -yang dikemukakan oleh E. Fermi, ditunjukkan bahwa elektron yang dipancarkan selama proses peluruhan tidak ada di dalam inti, tetapi lahir sebagai hasil peluruhan neutron. Akibat peluruhan ini, neutron n menghilang dan lahirlah proton p, elektron e - dan elektron antineutrino e.

n p + e - + e

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

Sebagai hasil reaksi antara antiproton dan proton p, bergantung pada energi partikel yang bertabrakan, berbagai partikel dapat dilahirkan.

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

K + meson bermuatan positif, yang umur rata-ratanya 1,2∙10 -8 s, meluruh dengan salah satu cara berikut (probabilitas relatif peluruhan ditunjukkan di sebelah kanan.

Λ -hiperon dan Δ 0 -resonansi memiliki massa yang kira-kira sama dan meluruh menjadi partikel yang sama - proton dan π - meson. Perbedaan besar dalam masa hidup mereka disebabkan oleh mekanisme pembusukan. Λ -hiperon meluruh akibat interaksi lemah, dan Δ 0 -resonansi - akibat interaksi kuat.

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

Selama peluruhan muon negatif (-) dalam keadaan akhir, dua partikel netral muncul bersama dengan elektron - muon neutrino ν μ dan elektron antineutrino e. Peluruhan ini terjadi akibat interaksi yang lemah.