Концепция микромира. Кварковая структура протона

ЛЕКЦИЯ 5 Концепция микромира. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ Кварковая структура протона Ква́рк — воображаемая элементарная частица, рассматриваемая как составная часть адронов. Предполагается существование 6 разных видов кварков, для различия которых вводится такое понятие как «аромат». Фундаментальные фермионы (кварки и лептоны) группируют в три поколения, в каждом из которых содержатся два лептона и два кварка. Кваркам присвоены следующие имена: u-кварк, d-кварк, c-кварк, s-кварк, t-кварк, b-кварк ТРИ поколения фермионов Для примера: Масса протона 938 МэВ Масса электрона 0.5 МэВ Адроны подразделяются на барионы и мезоны. Среди барионов наиболее хорошо изучены протон и нейтрон, входящие в состав атомных ядер. Особенностью кварков является то, что они не наблюдаются в природе в свободном состоянии. Данную ситуацию описывают как конфайнмент, то есть удержание кварков внутри адронов Доказательствами подлинного существования в природе кварков - физика не располагает. История В 1964 г. Гелл-Манн и Георг Цвейг предложили кварковую модель (на основе теории групп) В 1968 г. эксперименты на Стэнфордском линейном ускорителе (SLAC) показали, что протон состоит из точечно-подобных объектов и потому не является элементарной частицей. В 1974 г. на протонном синхротроне в Брукхевене и на ускорителе SLAC в Стэнфорде были открыты очарованные кварки. В 1977 г. в Национальном центре ядерных исследований им. Ферми (США) был обнаружен прелестный кварк В 1995 г. в столкновениях протонов и антипротонов – истинный кварк Этимология Происхождение слова кварк связано с Гелл-Манном, который взял это слово как напоминающее звук, издаваемый утками. Пытаясь подыскать подходящее слово, Гелл-Манн нашёл его в романеДж. Джойса «Поминки по Финнегану, где звучит фраза «Three quarks for Muster Mark!», обычно переводится как «Три кварка для мюстера Марка!». КРУГ ГЕТЕ. ОСНОВНЫЕ ЦВЕТА КРАСНЫЙ – ЗЕЛЕНЫЙ – СИНИЙ ЦВЕТ – АНТИЦВЕТ Красный + Зеленый = серый Оранжевый + Синий = серый Желтый + Фиолетовый = серый Красный+ АнтиКрасный = серый Конфайнмент – это о кварках. Итак, кварки не могут существовать свободно. Но что если просто взять мезон, состоящий из двух кварков, и разорвать его на две части? Не получим ли мы два кварка? Нет не получим. Представьте, что мезон очень сильно растягивают. Сильное взаимодействие между кварками тем сильнее до определенного предела, чем частицы дальше друг от друга. Это похоже на пружину: чем сильнее ее растягивать, тем сильнее она будет стремится сжаться, и тем больше у нее будет энергии. Чтобы сильнее стягивать кварки, сильное взаимодействие создает новые глюоны. И чем дальше мы их растягиваем, тем больше глюонов создается. Но в какой-то момент энергия этих созданных глюонов становится настолько большой, что выгоднее становится создать новую пару кварк-антикварк, чем продолжать плодить глюоны. (Компания росла, росла, а потом стала дробиться и возникла транснациональная компания – консорциум, картель, синдикат). Множество возникших глюонов мгновенно исчезает и вместо них появляется пара кварк и антикварк. В момент появления кварк-антикварковой пары из четырех кварков создаются два мезона, каждый из которых бесцветен. Может показаться, что теория замкнута сама на себе и что кварков на самом деле не существует, а конфайнмент, по сути, костыль, который придумали только для того, чтобы прекратить поиски кварков; что это просто удобная модель, которая не имеет под собой физического обоснования. Долгое время в научных кругах ходила такая мысль. Однако поздние теоретические исследования и недавние экспериментальные показывают, что при определенных условиях кварки могут покидать адроны. Более того, это состояние материи существовало практически сразу после большого взрыва, и только после сильного охлаждения кварки связались в адроны. Такое состояние материи сейчас исследуют на Большом адронном коллайдере в эксперименте ALICE. Для его получения нужна температура в два триллиона градусов. Это состояние материи называется кварк-глюонной плазмой. Для понимания, что есть кварк-глюонная плазма, стоит провести аналогию. Представьте себе воду в невесомости. Она находится в жидком агрегатном состоянии и из-за сил поверхностного натяжения имеет вид шара — можно сказать, что она заточена в этот шар (МКС и космонафты). Начнем повышать температуру. Когда она достигнет 100 градусов, вода начнет кипеть, активно испаряться и со временем полностью станет паром, у которого уже не будет силы поверхностного натяжения. Явление превращения воды в пар называется фазовым переходом. Если продолжить нагревать пар, то примерно при 1400 градусах молекулы воды разделятся на водород и кислород — диссоциируют, — и вода станет смесью кислородной и водородной плазм. Это еще один фазовый переход. Теперь возьмем газ — но не из молекул воды, а из адронов — и начнем его нагревать. Придется нагревать весьма сильно, потому что для фазового перехода нужна температура примерно в два триллиона градусов. При такой температуре адроны как бы «диссоциируют» в свободные кварки и глюоны. Таким образом, адрон совершит фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы. Это явление называется деконфайнментом, то есть процессом освобождения кварков из адронов. В поисках теории всего Последнего экспериментального подтверждения Стандартная модель ждала около 50 лет -  теперь бозон Хиггса найден — что дальше? Можно ли думать, что великие открытия закончились? Конечно, нет. Стандартная модель изначально не претендовала на звание теории всего (ведь она не включает в себя описание гравитации). Более того, в декабре прошлого года ATLAS и CMS в коллаборации опубликовали статьи о возможном обнаружении новой тяжелой частицы, не вписывающейся в Стандартную модель. И физики не грустят, а, наоборот, рады, ведь сам Большой адронный коллайдер строили не для того, чтобы подтверждать уже известное, а чтобы открывать новое. И так же «новая физика» не говорит о том, что Стандартная модель будет вычеркнута и предана анафеме. Мы ученые, и если что-то точно работает (а Стандартная модель это доказала), то оно должно быть частным случаем любой новой теории, иначе новая теория будет противоречить старым экспериментам. Для примера: механика Ньютона является прекрасной моделью для описания движения с низкими (значительно меньше скорости света) скоростями — несмотря на то, что сейчас мы знаем специальную теорию относительности. Точно так же, когда появятся новые модели (или модификации Стандартной), будут существовать условия, при которых будет верно то, что мы знаем сейчас. СКОЛЬКО ВСЕГО ЧАСТИЦ существует Кварки – 36 частиц (6 кварков)* (3 цвета)*(2 заряда) =36 частиц Бозоны – 12 частиц , , Лептоны – 12 частиц = 6 =6 Хиггсовский Бозон – минимум 2 ВСЕГО . Попытки найти другие фундаментальные фермионы или поколения частиц результата не дали, при этом имеются непрямые доказательства отсутствия новых поколений. Частицы второго и третьего поколений более массивны и нестабильны, что приводит их к распаду и превращению в частицы первого поколения посредством слабого взаимодействия. u-кварк и d-кварк, как составные части нуклонов, оказываются самыми распространёнными в природе. Массивные кварки возникают лишь на короткое время при столкновениях частиц высоких энергий, например, космических лучей, а также в ускорителях частиц Кварки имеют электрический заряд, аромат, цветной заряд, спин и массу и являются в стандартной теории единственными частицами. Слабое взаимодействие Диаграмма Фейнмана, показывающая бета-распад нейтрона как системы из трёх кварков. d-кварк превращается в u-кварк и виртуальный W−бозон, последний даёт электрон и антинейтрино. Суммарный цветовой заряд всех кварков любого адрона равен нулю. Кварки имеют свойство, называемое цветовой заряд. Существуют три вида цветового заряда, условно обозначаемые как синий, зелёный и красный. Цветовой заряд никак не связан со спектром видимого света и цветом, различаемым человеческим глазом. При соединении двух кварков (антикварков) в мезон или трёх кварков (антикварков) в барион цвета кварков и антицвета антикварков всегда таковы, что суммарный цветовой заряд частицы равен нулю. Масса У кварков два основных типа масс, несовпадающих по величине: токовая масса и структурная масса. Токовая масса кварка, оцениваемая в процессах со значительной передачей квадрата 4-импульса, и структурная масса (блоковая, конституэнтная масса); последняя включает в себя ещё массу глюонного поля вокруг кварка и оценивается из массы адронов и их кваркового состава. Основная масса адрона происходит от массы-энергии глюонного поля, а не от массы кварков, при этом глюоны как и фотоны имеют нулевую массу покоя. Например, масса-энергия протона равна 938 МэВ, на три валентных кварка приходится порядка 11 МэВ, остальное связано с глюонным полем. В стандартной модели элементарные частицы приобретают массу за счёт механизма Хиггса, связанного с гипотетическим бозоном Хиггса. Таблица свойств, кантовые числа Свойства кварковых ароматов Название Символ Масса, МэВ * J B Q Iz C S T B′ Первое поколение Верхний u 1,5 – 3,3 ½ +⅓ +⅔ +½ Нижний d 3,5 – 6,0 ½ +⅓ −⅓ −½ Второе поколение Очарованный c 1270 ½ +⅓ +⅔ +1 Странный s 104 ½ +⅓ −⅓ −1 Третье поколение Истинный t 171200 ½ +⅓ +⅔ +1 Прелестный b 4200 ½ +⅓ −⅓ −1 J = полный момент импульса, B = барионное число, Q = электрический заряд, Iz = изоспин, C = очарование, S = странность, T = истинность (топность, истинность, вершинность), B′ = прелесть (боттомность, прелесть, красота). Море кварков Кроме валентных кварков qv, несущих квантовые числа, адроны могут содержать виртуальные кварк-антикварковые пары – море кварков. Считается, что подобные процессы в море кварков происходят непрерывно. - Все это трудно назвать физикой. В целом можно сказать, что гипотеза кварков и всё, что из неё вытекает (в частности, квантовая хромодинамика), является не только попыткой применения волновой механики для так называемых фундаментальных частиц, способом описания многочисленных экспериментов, но и простейшей гипотезой относительно строения адронов. Реальность существования кварков и глюонов продолжает оставаться гипотетической. Они могут оказаться всего лишь красивой математической гипотезой, а для реального существования в природе они должны наблюдаться и в свободном виде. В итоге, появилась другая реальность. Нерешённые вопросы В отношении кварков остаются вопросы, на которые не найден удовлетворительный ответ: • почему есть только три цвета • почему имеется ровно три поколения кварков, так же как и число поколений лептонов? • случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений? • случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире? • что скрывается за квантовыми числами, присущими кваркам? • с чем связан столь большой разброс в массах кварков? • что приводит к различию влияния кварков на свойства адронов, кроме массы кварков? • из чего состоят кварки? • каковы размеры кварков? • если кварки образовались в начале Большого взрыва, то почему не наблюдается антивещество из антикварков? • существует ли механизм рождения кварков и состоящих из них адронов, не связанный ни с концепцией Большого взрыва, ни с возникновением из других элементарных частиц больших энергий при их столкновениях? • в чём причина ненаблюдаемости свободных кварков? • что заставляет распадаться массивные кварки на менее массивные и стабильные кварки? • какова связь между глюонным полем, обеспечивающим сильное взаимодействие кварков, с электромагнитным и гравитационным полями кварков? • почему преобладают мезоны из двух кварков и барионы из трёх кварков, а не адроны из произвольного количества кварков? • что мешает виртуальным кваркам из моря кварков соединяться, наподобие валентных кварков, и образовывать новые адроны, создавая тем самым мезоны, нуклоны и вещество? • игнорирование закона сохранения энергии во всех виртуальных процессах - отвергает гипотезу кварков и ставит перед нами выбор между физикой и математическими сказками, • и вообще, как из нестабильных кварков может состоять вещество во Вселенной. 1. Метафизика Если физические теории описывают эмпирически наблюдаемый мир, то метафизика является картиной некоторого сверхчувственного, ненаблюдаемого мира. Метафизические элементы жизни – совесть, честь, достоинство, верность, доброта … Эти понятия невозможно определить, но мы, если мы люди, эти понятия понимаем, но сказать не можем. Эти понятия не наблюдаемы, невидимы, но проявляются в нашей жизни, в истории, обществе на уровне каких-то эмпирических последствий. Пример. В психологии изучают скорость психологических реакций, анализируют память, различая ее на память долговременную и кратковременную. Т.е. изучают нашу способность запомнить что-либо, или способность пребывать в состоянии возбуждения. И эти способности психологи измеряют. А вот измерить совесть, честь и т.п. невозможно. Живя в обществе мы ведь знаем, что гораздо большее значение для нашей жизни имеют другие понятия такие, как совесть, верность, а не то, насколько мы способны что-то запомнить. Зададим риторический вопрос, что больше имеет последствий в моей реальной психологической жизни и в характеристике человека как личности – измеримая память или духовная верность. Пример. Рассмотрим рассуждения о храбрости, доблести и мужестве. Сократ требовал от своего собеседника объяснить ему, что такое храбрость в отличие от трусости. Собеседник Сократа определял храбрость, доблесть, мужество так: это то приятное ощущение, с которым храбрый человек видит бегство врага. На это Сократ говорит: «Прости, а не больше ли радуется трус, видя бегство врага. Тем самым ты в определение вводишь саму себя разрушающую вещь: если ты так определил храбрость, тогда храбрый человек труслив, ведь трус еще больше радуется при виде бегущего врага». И Сократ далее крутит своего собеседника в вопросе, что такое храбрость и тем не менее ответа не дает, также как невозможно дать ответ на то, что такое совесть. Весь диалог Сократа построен на разрушении эмпирической теории объяснения – что вижу, то и говорю. Аргумент Сократа фактически первый образец так называемого трансцендентального аргумента, который состоит в переключении точки зрения с эмпирии на что-то другое. Структура трансцендентального аргумента, такова, чтобы показать, что в эмпирии все уходит в бесконечность – нужно, не факты менять или приводить новые факты, а нужно изменить точку зрения на факты. Приведу знаменитое высказывание И.В.Гете «Говорят, что между двумя противоположными мнениями находится истина. Ни в коим случае! Между ними лежит проблема». Модель круга с центром – истиной. Диаметрально противоположные точки на окружности – противоположные суждения. Приведем одно свойство гения нашего языка. Наш язык построен так, что в нем существуют две категории слов, например честь, добро с одной стороны, бесчестие, подлость, зло, с другой. Это антонимы. Между ними есть одно радикальное различие, позволяющее охарактеризовать философский взгляд на вещи, то есть взгляд, который видит невидимый, или метафизический, элемент нашей жизни. Мы перечислили несколько антонимов. Какое между ними различие? Гений языка говорит нам, что добро не нуждается в объяснениях, а зло нуждается. Мы ведь никогда не объясняем доброту, мы всегда ищем причины только бесчестия, измены и вообще ищем причины для зла. Это заложено в самом функционировании нашего языкового сознания. В чем смысл и сюжеты всех древних эпических сказаний – греческих трагедий и скандинавских саг. В них очень четко прослеживается одна мысль (среди многих других), что, например, дружба, любовь неминуемо разрушаются: кто-то кому-то что-то сказал, кто-то поверил ложно сказанному, и начинается разрушение. Зло торжествует и человек попадает в круговорот естественного сцепления причин. Поэтому трагедии и саги все это объясняют и никакого HEPPI END. Сюжеты современных сериалов на этом же построены, но в конце них все становится хорошо. Добро побеждает зло. В жизни, как это мы знаем, далеко все не как в сериалах. Приведу еще один пример. Из Гоголя. «В вечерах на хуторе близ Диканьки» есть рассказ «Страшная месть». В 16 главе повествуется о том как, в городе Глухове собрался народ слушать слепого бандуриста. И он спел про одно старое дело. Жили два казака Иван да Петро. Жили они так, как брат с братом. «Гляди, Иван, все, что не добудешь – все пополам. Когда кому веселье – веселье и другому. Когда кому горе – горе и обоим когда кому добыча – пополам добычу когда кто в полон попадет – другой продай все, а выкуп дай, а не то сам ступай в полон». И правда, все, что ни доставали козаки все делили пополам – угоняли ли чужой скот, или коней, все делили пополам. В тех местах воевал король Степан с турками, а одолеть не мог. И объявил король, вот если найдется смельчак и приведет к нему турецкого пашу живого или мертвого, даст ему одному столько жалованья, сколько дает на все войско. «Пойдем, брат, ловить пашу!» сказал брат Иван Петру. И поехали козаки, один в одну сторону, другой в другую. Поймал пашу Иван и король отвалил ему обещанное жалование. И в тот же день Иван разделил все поровну между собою и Петром. Взял Петро половину королевского жалования, но не мог вынести того, что Иван получил такую честь от короля, и затаил глубоко на душе месть. И вот однажды ехали оба козака по горной дороге где была пропасть. И толкнул Петро названного брата в пропасть. И конь с козаком полетел в пропасть. И завладел Петро всем богатством Ивана. Далее у Гоголя сказ о том как умер Петро и бог призвал души обоих названных братьев, на суд. «Великий есть грешник сей человек (Петро) – сказал бог Иване! - Не выберу я ему скоро казни; выбери ты сам ему казнь!». Долго думал Иван, вымышляя казнь, и, наконец, сказал: «Великую обиду нанес мне сей человек: предал своего брата, как Иуда, и лишил меня честного моего рода и потомства на земле. А человек без честного рода и потомства, что хлебное семя, кинутое в землю и пропавшее даром в земле. Всходу нет – никто и не узнает, что кинуто было семя. Сделай же Боже так, что все потомство его не имело на земле счастья! …..далее идет описание мести и заканчивается она фразой - Та мука будет для него самая страшная: ибо для человека нет большей муки, как хотеть отмстить и не мочь отмстить». И Иван придумал для Петра такую месть. А бог сказал страшную месть ты придумал – да будет так. И сказал еще Ивану – и сидеть тебе на коне вечно и не будет тебе царствия небесного. И доныне стоит в Карпатах на коне дивный рыцарь, и видит, как в провале грызут мертвецы мертвеца … Что для нас здесь важно. А то, что все делили козаки пополам, а вот честь не смогли поделить пополам. Не делится честь на части, и все тут! А каковы метафизические элементы в природе? И есть ли они в современной физике? На этот вопрос мы ищем ответ, рассматривая физику микромира. Редукционизм - свойства сложных тел объясняются с помощью свойств простых тел – атомов. Такая редукция, т.е. сведение сложного к простому, означает, что многообразие сложного и разнообразного мира сводится к немногим свойствам небольшого числа простых атомов. • Целое состоит из частей. • Сложное состоит из простых элементов. Такие объяснения и такой способ анализа способствовал большому прогрессу в естествознании. АТОМ - наименьшая часть химического элемента, - носитель свойств элемента - существует самостоятельно. Размер атома Размер протона Размер электрона Химические элементы – таблица Менделеева Известны с древности – Золото, Серебро, Платина, Железо, Медь, Олово, Свинец Ртуть, Сера, Сурьма, Углерод. XII-XIII века – цинк. 1669г. - фосфор 1739г. – висмут 1766г. – водород 1772г. – азот, кислород, 1774г. - барий, хлор 105-110 элементы таблицы Менделеева установлены в 1970-1988 годах в ОИЯИ, г.Дубна, Флеров, Оганесян. В настоящее время известно 110 химических элементов. В 2005 году лаб. Лоуренса и ОИЯИ получены данные по 118 элементу (число протонов) По 111-117 элементам, данных нет, они очень неустойчивы, если существуют. Атомный вес 106 элемента равен 263 (106 протонов и 157 нейтронов) АТОМЫ могут существовать: • в свободном состоянии в газах • в связанном состоянии в жидкостях и твердых телах • атомы входят в состав молекул, соединяясь химически с атомами того же элемента или атомами других элементов. МОЛЕКУЛА • наименьшая устойчивая часть вещества • носитель основных химических и физических свойств вещества • состоит их атомов • Размеры молекул Форма молекулы определяется пространственным распределением атомов, длинами связей и углами между атомами В природе существует десятки и сотни тысяч веществ. Следовательно, существуют десятки и сотни тысяч различных молекул. Представление о молекулах возникло в XVIII веке. Получило широкое распространение в XIX веке в связи с развитием кинетической теории газов. Законы Бойля-Мариотта и Гей-Люсака Экспериментальное подтверждение о молекулах получено Ж. Перреном в 1906 году при изучении броуновского движения. ПРИМЕР. Молекула – фуллерен Фуллерены — открыты в 1985 году. Это новые формы углерода, отличные от графита и алмаза. Самый распространенный фуллерен . Его молекула состоит из 60 атомов углерода, образующих замкнутую сферическую поверхность, составленную из правильных шести- и пятиугольников. Молекулярный аналог - футбольный мяч. Обладает уникальными строением и уникальными физическими и химическими свойствами. В настоящее время известно несколько тысяч патентов на применение фуллеренов в различных областях человеческой деятельности от сверхпроводимости до лекарств.  ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ ЭЛЕКТРОН Электрон стабильная элементарная частица РАЗМЕР МАССА ЗАРЯД ОТКРЫТИЕ ЭЛЕКТРОНА. 1897 год ТОМПСОН при исследовании катодных лучей открыл электрон как частицу. 1911 год в опытах Милликена измерен заряд электрона 1924 год Дэвидсон и Джермер наблюдали дифракцию электронов на кристалле и установили волновые свойства электрона. 1925 год Гаудсмит и Уленбек установили, что электрон имеет спин. Новое квантовое число. 1928 год П.Дирак получил уравнение движения для электрона уравнение Дирака. 1931 год П.Дирак, решая уравнение Дирака, предсказал существование антиэлектрона = позитрона. 1932 год. Позитрон был обнаружен в космических лучах 1934 год. Наблюдалась аннигиляция электрон-позитронных пар. Теория электромагнитных взаимодействий электронов и позитронов была создана в начале 50-х годов. Теория получила название Квантовая электродинамика (КЭД) ПРОТОН (от греческого протос – первый, введен Резерфордом) – стабильная элементарная частица. -- положительный электрический заряд Масса = 1,6*10(-24) грамма Представление о протоне и его открытие состоялось в 1919 году в экспериментах Резерфорда – создание планетарной модели атома в 1911 году. Эта ситуация поставила вопрос об относительности научных истин, которые неполны и приблизительны в объяснении свойств природы. Отсюда ошибочный вывод, что научные объяснения или истины не являются объективными истинами Это породило кризис в физике в начале 20-го века. ТИПЫ взаимодействий по силе взаимодействия Гравитационные, радиус действия - бесконечен Слабые, радиус действия – конечен и очень мал Электромагнитные радиус действия - бесконечен Сильные радиус действия – конечен и очень мал. АДРОНЫ (термин ввел Л.Б.Окунь) и ЛЕПТОНЫ. АДРОНЫ – протон, нейтрон, пион, каон, барионы, и т.д. более 300 частиц ЛЕПТОНЫ – электрон, мюон, нейтрино плюс античастицы. ФОТОН, W , W, Z бозоны, ГЛЮОНЫ, Гравитон – переносчики взаимодействия. Задание. Срок исполнения 15 мая. Подготовить реферат, объемом 10-12 стр. Темой реферата должна быть одна из концепций естествознания. При необходимости Вы можете название реферата согласовать со мной. e mail: vak@admin.isu.ru