Природничі науки.
Минуле, сучасне та можливе майбутнє людства і біосфери
Розділ ІІ. Виникнення та розвиток Всесвіту і Землі
Блок B. Всесвіт. Фізична основа буття

B2. Матерія та енергія

Завдання B2-

B2-1. Елементарні частинки

B2-2. Стандартна модель

Додаток B2-3. Деякі визначення

Завдання B2-

Завдання B2-

Задача B2.

Головні поняття B2.

B2-1. Найменші складові матерії

B2-1.1. Атом — від здогадки до “фотопортрета”  

Елементарні частинки. Які асоціації виникають у вас, коли ви чуєте це словосполучення?

Щось дуже маленьке, міцне, бо розділити вже неможливо. Форма? Так, куля, звичайно, куля.

Ідея існування елементарних частинок речовини дуже давня. Ще у V сторіччі до нашої ери давньогрецькі філософи Левкіпп та Демокріт (рис. B2-1.1) висловили припущення, що речовина складається з неподільних частинок, які вони назвали “атоми” (неподільні). Між атомами — порожнеча. Але це була лише одна з багатьох гіпотез, перевірити яку на той час було неможливо.

Рис. B2-1.1.Ми погано уявляємо, як виглядали творці уявлення про атоми: Левкіпп та його учень Демокріт. Можливо, вони були такими...

В XVII-XVIII ст. вченим-хімікам вдалося експериментально підтвердити ідею давньогецьких філософів. Вони довели, що деякі речовини не можуть розщеплюватися на складові елементи за допомогою хімічних методів. Наприклад, такою речовиною є кремній — кристалічна речовина, що зараз є вкрай важливою для виробництва комп'ютерної техніки. Кристали кремнія складаються з атомів Силіція.

Як це не дивно, сучасна техніка дозволяє сфотографувати навіть окремий атом (рис. B2-1.2).

Рис. B2-1.2. Маленька крапка в центрі — окремий атом Стронцію, що утримується в електричному полі між двома електродами. Атом освітлюється променем лазера і випромінює світло, яке можна зареєструвати звичайною камерою. Ця фотографія, зроблена студентом, отримала премію на конкурсі наукової фотографії у 2018 р.  

B2-1.2. Відкриття електрона

Атом не можна розділити методами хімії? Зате його можна розділити методами фізики! Першою дійсно елементарною частинкою, яку почали досліджувати вчені, був електрон, відкритий в 1897 році видатним англійським фізиком Джозефом Джеєм Томсоном (рис. B2-1.3).

Рис. B2-1.3. “Батьки” електрона: Дж. Дж. Томсон (1856-1940) і Роберт Міллікен (1867-1953)

Томсон вивчав явище випромінювання негативного електрода (катода) у вакуумі. До речі, це явище використовується в електронно-променевих трубках, що є основою телевізорів та комп’ютерних моніторів старого зразка (рис. B2-1.4). До речі, на цьому прикладі можна показати відносини фундаментальної науки (що зайнята побудовою наукової картини світу) та прикладної науки (що вирішує практичні проблеми). Томсон вивчав катодні промені як явище, що не вписувалося в наукові уяви того часу; одним з наслідків цього вивчення стало створення електронно-променевих трубок, що змінили людську діяльність у багатьох сферах життя і, крім іншого, сприяло розвитку телебачення.

Томсон зміг показати, що випромінювання катоду складається з негативно заряджених частинок, що набагато менші та легші за атом, — електронів. Відкриття електрона започаткувало еру дослідження елементарних частинок.

Рис. B2-1.4. Старий телевізор та електронно-променева трубка, що є його основою 

На початку ХХ ст. Роберт Міллікен (рис. B2-1.3) зміг досить точно виміряти заряд електрона. Для цього він вимірював рух дрібних крапель олії в електричному полі. Таким чином вдалося встановити значення найдрібнішого заряду, який може отримати така крапля. Крапля може не відхилятися полем, відхилятися з певною силою, відхилятися з подвійною силою і так далі. Міллікен встановив цю одиничну силу та вирахував заряд електрона! За ці досліди в 1923 році Міллікен отримав Нобелівську премію.

Стало зрозуміло, що заряджені електрони входять у склад атомів, які в цілому не мають електричного заряду. Як заряджені частинки розташовані в незарядженому атомі? В цей час народжується перша наукова модель атома, яка доводить, що атом — це складна структура. До речі, ця модель отримала назву “пудинг з родзинками”.

Спробуйте розібратися, звідки взялася кулінарна назва моделі атому Томсона? Яку модель насправді запропонував Томсон? Що є родзинки? Яку назву дали б цій моделі ви?

B2-1.2. Корпускулярна природа світла

Початок ХХ ст. — дуже цікава епоха в історії розвитку природничих наук. Знаходяться відповіді на багато запитань, які віками хвилювали видатні наукові уми. Між тим, з’являється ще більше таємниць і загадок, які потребують нестандартних підходів до їх вирішень.

Головні теорії, які започаткували сучасні уявлення про світ, а саме квантова механіка та теорія відносності, народилися саме з таких загадок класичної фізики кінця XIX ст.: проблеми спектру випромінювання чорного тіла “ультрафіолетова катастрофа” та невдалі спроби виміру абсолютної швидкості Землі (швидкості по відношенню до ефіра). 

На початку XX ст. німецький фізик Макс Планк припустив, що спектр випромінювання чорного тіла можливо кількісно описати, якщо вважати, що світло випромінюється і поглинається не безперервно, а окремими порціями — квантами. Квант електромагнітного випромінювання отримав назву фотон. Енергія фотона має бути пропорціональна частоті випромінювання ν (грецька літера ню). Формула зв’язку: E=ħν, де ħ — це стала Планка, одна з головних констант в науці. Макс Планк здобув Нобелівську премію у 1918 році “за внесок в розвиток фізики завдяки відкриттю квантів енергії”.

Друге явище, яке викликало проблеми з поясненням — це явище фотоефекту. Фотоефект- процес вибивання електронів з поверхні металів падаючим світлом. Як довели експерименти, енергія електронів, які вириваються електромагнітними хвилями із металевих пластин, залежить тільки від довжини хвилі, але не від її інтенсивності. Також спостерігався цікавй ефект: навіть при опромінюванні пластин слабким світлом фотоефект спостерігається миттєво. Цей факт суперечив класичній електродинаміці, бо слабкому полю треба більше часу, щоб розгойдати електрони до потрібної амплітуди. Теоретичне вирішення проблеми було запропоноване в 1905 році Альбертом Ейнштейном. Видатний фізик припустив, що світло при випромінюванні та поглинанні поводить себе не як хвиля, а як потік частинок. Як ви вже здогадалися, ці частинки — кванти електромагнітного поля, фотони. Відоме рівняння Ейнштейна для фотоефекту: ħν=A+E, де робота виходу A — це енергія, яку необхідно передати електрону, щоб він вирвався з речовини назовні, E — максимальна кінетична енергія фотоелектронів. Ліва  частина рівняння — це енергія фотонів, які виривають фотоелектрони з поверхні металу. А якщо згадати знамените рівняння Ейнштейна, яке зв’язує масу і енергію, E=mc2, то з'ясовується, що фотон має всі властивості частинки, а саме масу, імпульс та енергію. Таким чином, ми з вами знайомимося ще з одним типом елементарних частинок. Отже, фотон — елементарна частинка, завдяки якій відбувається електромагнітна взаємодія.

B2-1.3. Радіоактивність — ключ до таємниць будови атома

Ще один важливий етап в розвитку фізики елементарних частинок — вивчення радіоактивності. З цим явищем ви вже стикалися на уроках фізики в 9 класі, тому давайте  згадаємо головні закономірності.

Відкрив явище французький фізик Антуан Анрі Беккерель, який займався дослідженням люмінісценції та рентгенівських променів, але випадково виявив, що солі урана випромінюють невідомі промені, які не є рентгенівськими. Подальші дослідження Беккереля довели, що причиною невідомого випромінювання є саме хімічний елемент — Уран. В 1898 році Пьер та Марія Кюрі виявляють радіоактивність торія, а потім вони відкривають нові радіоактивні елементи — Радій та Полоній. До речі, саме Марія Кюрі ввела в науковий словник слово “радіоактивність”. За відкриття радіоактивності Беккерель разом з подружжям Кюрі здобули Нобелівську премію в 1903 році. Походження таємничих променів, які випромінювали радіоактивні елементи, вчені змогли зрозуміти за допомогою магнітного поля. В 1897 році Резерфорд з’ясував, що радіоактивне випромінювання складається з позитивно заряджених α-променів та негативно заряджених β-променів. В 1907 році Резерфорд разом з Томасом Ройдсом з’ясували, что α-частинки — це ядра гелія (якщо дотримуватися історичної правди, позитивно заряджені йони гелія, бо атомне ядро тоді ще не було відкрито). β-частинки виявилися електронами. Поль Віллард в 1900 році виявив також незаряджені γ-промені. З’ясувалося, що це електромагнітне випромінювання з довжиною хвилі, ще меншою за рентгенівське випромінювання.

B2-1.4. Модель атома Резерфорда та постулати Бора

Модель Томсона недовго грілася в променях наукової слави. Через декілька років на авансцену наукової думки виходить ще один англієць — Ернест Резерфорд. Саме видатні експерименти Резерфорда з α-променями та золотою фольгою в 1911 році привели до відкриття планетарної моделі атома (рис. B2-1.3). Вчені зрозуміли, що в центрі атома є невелике, але масивне ядро, навколо якого обертаються електрони. Вже в 1920 році Резерфорд вперше використовує термін “протон” для опису ядра Гідрогену, а в 1921 році пророкує існування нейтрона.

Рис. B2-1.3.

Але пройшло цілих 11 років, перш ніж нейтрон був дійсно відкритий. Джеймс Чедвік досліджував випромінювання, що виникає при бомбардуванні берилію альфа-частинками. Виявилося, що воно являє собою потік незаряджених частинок, які отримали ім’я нейтрони. Відкриття нейтронів допомогло знайти відповідь на проблему існування ізотопів — атомів з однаковим зарядом, але різною вагою.

За рахунок чого виникає різниця ваги ізотопів?

Але через деякий час планетарна модель Резерфорда піддалася шаленій критиці з боку наукового світу. Річ в тому, що, згідно класичній електродинаміці Максвела, електрони, які обертаються навколо ядра, повинні безперервно випромінювати електромагнітні хвилі, а значить втрачати енергію. Такі електрони рано чи пізно повинні впасти на ядро. Але, ми бачимо, що атоми — дуже стійкі системи і можуть існувати досить довгий час. Теорія Резерфорда опинилася під загрозою. Врятував її молодий датський фізик Нільс Бор, який запропонував першу квантову модель будови атома.  Ця теорія не була квантовою у нинішньому розумінні, але перші кроки до розуміння сучасної будови атома зробив саме Нільс Бор. Він припустив, що існують особливі стани атома, в яких він не випромінює енергію. Такі стани Бор назвав стаціонарними. А будь-яке випромінювання атома пов’язане з його переходом з одного стаціонарного енергетичного стану в інший. При цьому переході випромінюється квант енергії E=ħν. Так квантові ідеї Макса Планка знайшли  застосування в науці.

Нільс Бор навіть збудував теоретичну модель атома Ґідрогена.  Експериментальні дослідження довели правильність ідей Бора. Але вже на більш складних атомах його фізична модель не працювала. Отже постулатів Бора виявилося недостатньо для пояснення будови атомів. Але фундамент для розуміння він заклав. Науковий світ гідно оцінив праці Нільса Бора і в 1922 році він отримав Нобелівську премію “за заслуги в дослідженні будови атомів”.

B2-1.5. Розвиток фізики елементарних частинок в другій чверті ХХ ст.

В першій чверті ХХ ст. здавалось, що структура матерії вже повністю розкрита. Цеглинки, з яких будується усе навкруги — електрони, протони та нейтрони. Але залишалися питання, на які відповідей на той час не було.

Що утримує протони і нейтрони у ядрі?

Які сили відповідають за радіоактивні розпади атомних ядер?

В 1934 році японський вчений Хідекі Юкава (рис. B2-1.4) запропонував теорію внутрішньоядерних взаємодій. Ця теорія вимагала існування нових частинок, π-мезонів, у декілька разів легших за протони. І вже в 1937 році ці частинки були відкриті в космічних променях. Але подальше дослідження відкритих частинок, на превеликий жаль, показало, що вони не беруть участь у внутрішньоядерній взаємодії. Але частинка — космічний гість зайняла своє місце в ряду елементарних частинок, і згодом отримала ім’я — мюон. Мюон — аналог електрона, тільки в 200 разів важчий за нього.

Рис. B2-1.4.

Пошуки “частинок Юкави”   стали успішними лише в 1947 році. В 1948 році π-мезони, які ще називають піони, були отримані в лабораторних умовах на прискорювачі заряджених частинок в Берклі (США).

В 1949 році Юкава отримав Нобелівську премію з фізики  “за передбачення існування мезонів на основі теоретичних досліджень ядерних сил”. Але на цьому заслуги Хідекі Юкави перед людством не закінчилися.

В 1953 році вчений висуває ідею частинок, які переносять слабку взаємодію: W-бозонів. І як ми дізнаємося пізніше, знову буде абсолютно правий.

Але не тільки Хідекі Юкава вніс вагомий вклад в процес вивчення світу елементарних частинок. В 1928-1930 роках британський вчений Поль Дирак сформулював квантову теорію  руху електронів в електричному та магнітному полях. Теорія вимагала існування нової частинки – з такою самою масою, як і електрон, але яка повинна мати позитивний заряд! в 1931 році Карл Девід Андерсон, американський фізик, вивчаючи тисячі фотографій конденсаційних треків від високоенергетичних частинок, помітив декілька слідів, які відрізнялися від слідів електронів тільки тим, що відхилялися в протилежному напрямку. Це були позитрони. І знови ми говоримо про Нобелівські премії: 1933 рік – Поль Дирак разом с Ервіном Шредингером отримав Нобелівську премію «за відкриття нових продуктивних форм атомной теорії», а в 1936 році К. Андерсон здобув Нобелівську премію з фізики «за відкриття позитрона».

Але якщо є антиелектрон, то повинен бути й антипротон. І в 1955 році його відкрили Оуен Чемберлен та Еміліо Сегре, за що в 1959 році отримали Нобелівську премію.

І знову ми повертаємося у початок ХХ ст. В 1914 році у англійського фізика, учня Резерфорда, Джеймса Чедвіка виникла підозра, що при бета-розпаді порушується закон збереження енергії. Ця проблема отруювала життя фізикам досить довго. Через 16 років швейцарець Вольфганг Паулі у спробі «врятувати» закон збереження енергії запропонував науковому світу гіпотезу про існування нової електрично нейтральної частинки, яка випромінюється при бета-розпаді разом з електроном. Але ім’я нейтрон (нейтральний) вже було зайняте, тому італієць Енріко Фермі запропонував назвати частинку Паулі нейтрино. Використовуючи нейтрино, Фермі вдалося створити теорію бета-розпаду, але сумніви в існуванні нейтрино залишалися, і лише в середини 50-х років існування нейтрино і антинейтрино було доведено експериментально.  І  Паулі, і Фермі здобули Нобелівську премію у різні роки, але за інші наукові відкриття.

B2-1.6. “Зоопарк частинок” та кварки

З розвитком технологій досліджень мікросвіту на початку другої половини 20 ст. відкриття елементарних частинок почали слідувати одне за одним. Вже було відкрито більш ніж 100 «елементарних» частинок (рис. B2-І.5). Виникає проблема їх класифікації.

Більшість частинок, які були відкриті в 50-60 роки, нестабільні та розпадалися менш ніж через 1/1000000 або навіть 1/1000000000 секунди. Вони отримали назву “резонанси”. Фізики об'єднують їх під збірною жартівливою назвою — зоопарк частинок.

Рис. B2-4.5.

В 1968 році Нобелівська премія з фізики «за винятковий внесок у фізику елементарних частинок, зокрема за відкриття великої кількості резонансів» була присуджена Луісу Альваресу, американському фізику-експериментатору. Альварес разом з колегами відкрив біля 70 нових частинок.

Вченим стає зрозуміло, що є якесь наукове виправдання такій великій кількості резонансів. В 1964 році американські фізики Мюррей Гелл-Манн та Джордж Цвейг запропонували кварки – нові «цеглини», з яких можна складати вже відомі частинки. Назва КВАРК була взята із романа Джеймса Джойса «Поминки по Фіннегану». Герою книжки наснився сон, в якому чайки кричали: «Три кварка, три кварка для мастера Марка!» З появою теорії кварків протон і нейтрон вже перестають бути елементарними частинками: вони складаються з кварків (рис. B2-1.6).

Рис. B2-1.6.

В 1969 р. М. Гелл-Манн здобув Нобелівську премію «за відкриття, які пов’язані з класифікацією елементарних частинок та їхніх взаємодій».

Тепер “неподільний” атом вже має таку складну структуру (рис. B2-1.7)!

Рис. B2-1.7. Складний атом (масштаб не дотримано!)

B2-1. Сухий залишок

B2-1. Проблеми для обговорення та завдання

B2-1.1.

B2-1.2. Поясніть, чому в зображенні атома на рис. B2-1.7 не дотримано масштаб?

B2-1.3. Які закономірності розвитку науки проявилися в описаній нижче історії про Роберта Міллікена, фізика, який в 1910 році зміг виміряти заряд електрону?

Коли Альберт Ейнштейн в 1905 році опублікував свою статтю по корпускулярній теорії світла, Міллікен був переконаний, що ця теорія невірна, так як до цього часу існувала велика кількість доказів на користь хвильової природи світла. Для перевірки ейнштейнівської теорії він зробив серію експериментів, що тривали десять років. Його результати в точності підтвердили передбачення Ейнштейна, але це не переконало Міллікена в правоті Ейнштейна. В 1916 році Міллікен писав: «Рівняння фотоефекту Ейнштейна ... на мою думку, не може розглядатися як таке, що має хоч якесь задовільне теоретичне обгрунтування», — навіть якщо «воно дійсно дуже точно описує процес» фотоефекту. Проте, в автобіографії 1950 року Міллікен висловився, що він «не допускає будь-які інтерпретації, крім спочатку запропонованої Ейнштейном, а саме фотонної теорії».

B2-2. Стандартна модель

B2-2.1. Стандартна модель: передмова.

З появою кварків починається формування Стандартної моделі - теоретичної конструкції, яка описує електромагнітну, слабку і сильну взаємодію усіх елементарних часток.

Але, щоб розібратися в Стандартній моделі, нам треба згадати деякі речі, про які вам розповідали на уроках хімії та фізики.

По-перше, згадаємо про спін. Спін є важливою характеристикою елементарних частинок, щось на кшталт фізичної величини в класичній механіці, яка відповідає за обертальний рух. Зараз ми розуміємо, що елементарні частинки не обертаються  в звичному для нас розумінні, і спін суто квантова характеристика частинок, але назва залишилася, тому вона до наших послуг. Спін може набувати лише певні (квантовані) значення. Він може бути цілим: 0, 1, 2, 3 , але може й бути напівцілим: 1/2, 3/2.  Саме спін визначає, до якого класу буде відноситися та чи інша частинка. Частинки з цілим спіном отримали назву бозони. Назва пішла від прізвища фізика Сатьендра Бозе, який зробив великий вклад в становлення квантової фізики. Частинки з напівцілим спіном називаються ферміони. Своїй назві вони мають завдячувати Енріко Фермі, видатному фізику, творцю першого атомного реактора. Давайте поглянемо які частинки до якого класу  відносяться. Наприклад, спін електрона - ½, отже електрон є ферміоном, спін частинки світла фотона - 1, тобто він бозон. Протони, нейтрони (та кварки, які їх складають) мають спін 1\2, тобто вони ферміони, також до ферміонів належать нейтрино та мюон. π-мезон має спін 0, і він є бозоном.

По-друге, поговоримо трохи про маси частинок. Ви пам’ятаєте з класичної фізики, що маса — це міра інертності та гравітаційної взаємодії. Але елементарні частки мають такі маленькі маси, що це призводить до незручностей у розрахунках та записах. У цьому випадку на допомогу вченим прийшла теорія відносності Ейнштейна та її відома формула E=mc2. З її допомогою вчені зв’язали масу з енергією частинок. Тому в фізиці елементарних частинок масу прийнято визначати в одиницях енергії. Але знайомі нам джоулі — це дуже велика одиниця для мікросвіту. Треба щось маленьке, але дуже важливе. Ось, наприклад електрон. Якщо електрон потрапляє в електричне поле, то поле намагається виконати роботу, наприклад, розігнати частинку, чи навпаки, затримати. Така робота дуже легко розраховується. Цю формулу ви пам’ятаєте ще з 8 класу. А=qU, де А - це робота електричного поля, q - електричний заряд частинки, U - різниця потенціалів, тобто електрична напруга.  Якщо електрон розганяється за допомогою виконаної полем роботи, він отримує кінетичну енергію. І саме цю енергію вчені взяли у якості енергетичної одиниці для елементарних часток. Вона отримала назву електрон-вольт (еВ). 1еВ - це енергія, яку здобуває електрон, який розігнала напруга в 1В. Скільки ж електрон-вольт може вмістити 1 Дж? Це досить легко порахувати. У фізиці елементарних частинок заряд електрона, тобто елементарний заряд прийнято за одиницю, у класичній фізиці елементарний заряд дорівнює 1,6 х10-19 Кл. Якщо ми помножимо це число на 1В, то отримаємо 1,6х10-19 Дж. Тобто 1еВ дорівнює 1,6х10-19 Дж. Це дуже маленька одиниця для нас, й не дуже  велика для світу елементарних частинок. Тому вчені використовують кратні одиниці - кеВ, МеВ, ГеВ. Так, протон в енергетичних одиницях має масу 1ГеВ, що еквівалентно 1,8х10-27 кг. Електрон має масу 0,5 МеВ. Цікаво, що бозон фотон зовсім не має маси спокою, він народжується і помирає у русі.

B2-2.2. Стандартна модель: дійові особи.

Тепер ми маємо змогу класифікувати частинки, і це допоможе нам розібратися в Стандартній моделі. Отже, які частинки складають основу моделі? Почнемо з частинок, про які ми вже багато говорили вище: електрони, мюони, нейтрино. Їх  головна особливість — вони не мають внутрішньої структури, тобто не складаються з кварків. Тому їх вважають істинно елементарними частинками і об’єднують у велику групу лептонів.

Як ви гадаєте, чому саме така назва у частинок цієї групи?

Друга група — це кварки. Це ті самі частинки, з яких складаються протони, нейтрони та багато інших представників “зоопарку частинок”. Про кварки ми ще окремо будемо мати дуже цікаву розмову.

Третя група — частинки, які переносять взаємодію. До них відносяться фотон, пі-мезони, глюони.  

Про властивості та характеристики представників кожної групи поговоримо трохи пізніше. А зараз ще одне важливе питання: яким чином представники усіх трьох груп взаємодіють один з одним? На уроках фізики ви вже знайомилися з видами взаємодії в природі. Це гравітаційна взаємодія, електромагнітна, сильна та слабка взаємодії. За допомогою першої взаємодіють тіла, які мають гравітаційну масу. Це дуже слабка взаємодія, її вплив відчувається, якщо тіла мають досить велику масу.  За допомогою електромагнітної взаємодії відбувається “спілкування” електричних зарядів та електричних струмів. Сильна взаємодія спостерігається всередині атомних ядер. Слабка взаємодія описує взаємодії між елементарними частинками, які відбуваються досить повільно. Один з прикладів слабкої взаємодії - це механізм β-розпаду, коли з радіоактивного ядра випромінюється або електрон, або позитрон. Стандартна модель покликана пояснити електромагнітну, сильну та слабку взаємодії.

Прийшов час більш детально розглянути групи елементарних частинок, які існують в Стандартній моделі.

Отже, лептони. Якщо ви вірно відповіли на питання щодо лептонів, то вам не важко було знайти інформацію, що цей термін походить від грецького слова “лептос” - маленький. До лептонів належать частинки, які не мають внутрішньої структури. Можливо, у майбутньому, вчені зможуть розібрати на частини і ці  частинки, але поки що підстав вважати, що лептони мають складну структуру, немає. Лептони приймають участь тільки в електромагнітних, слабких та гравітаційних взаємодіях, у сильних участі не беруть.  Спробуємо класифікувати вже відомі вам лептони.

 Електрон (е)

Мюон (μ)

Заряджені лептони

Електронне нейтрино

Мюонне нейтрино

Незаряджені лептони

Але в 1975 році були відкриті нові частинки, які вчені вважають лептонами. Це  тау-лептони  та тау-нейтрино. Вони зайняли своє важливе місце в Стандартній моделі.

Друга група елементарних частинок - кварки. Нагадаємо, що кварки - це ті самі цеглинки, за допомогою яких будуються важкі частинки, адрони. До речі, до адронів відносяться протон і нейтрон. На відміну від лептонів, кварки беруть участь у всіх видах взаємодій. Кварки мають різні внутрішні властивості. По-перше, кварки відрізняються за ароматами. Ні, ніяких пахощів від кварків ви не почуєте, така класифікація - це досить специфічний гумор вчених. Отже, шість ароматів- верхній (u), нижній (d), дивний (s), чарівний (с), красивий (b) та правдивий (топ-кварк) (t). Кожна назва аромату має свою цікаву історію. Подумайте, від яких англійських слів взяті перші літери у назві кварків?  Спін кварків ½, тобто вони є ферміонами. У них є маса, електричний заряд кварків дробовий - 1/3  або 2/3  від елементарного заряду  І на останнє - дуже цікава характеристика кварків, яка отримала назву кольоровий заряд . Якщо з вищеописаними  характеристиками ви вже стикалися, то кольоровий заряд - це нове поняття. Але ми спробуємо на простих прикладах зрозуміти, що мається на увазі. За допомогою “кольору” кварка вчені показують його здатність до сильної взаємодії,так само,  як, наприклад, електричний заряд частинки показує здатність її до електромагнітної взаємодії. Чому саме колір? Зрозуміло, що до реальних кольорів, які ми сприймаємо за допомогою зору, кольори кварків ніякого відношення не мають. Річ у тому, що у вчених з’явилася потреба якимось чином описати додаткову квантову характеристику частинок, і вони не знайшли нічого кращого, ніж провести паралелі з класичною фізикою. Річ у тому, що всі адрони, які складаються з кварків, повинні бути “білими”, іншими словами, алгебраїчна сума кольорових зарядів кварків дорівнюватиме нулю. Все, як в у нашому макросвіті, де біле світло складається з різних кольорів, чи не так? Схематично це можна уявити наступним чином.(Рис. B2-2.1.)

Рис. B2-2.1.

 Кольорова структура

протона і нейтрона

 Зведемо властивості кварків у таблицю.

Позначення

та назва

Елек- тричний заряд

Ароматові квантові числа

Спін

Маса

див- ність

чарів- ність

краса

прав- дивість

Перше покоління

d

нижній (down)

−1/3

0

0

0

0

−1/2

~ 5 МеВ

u

верхній (up)

+2/3

0

0

0

0

1/2

~ 3 МеВ

Друге покоління

s

дивний (strange)

−1/3

− 1

0

0

0

−1/2

120 МеВ

c

чарівний (charm)

+2/3

0

1

0

0

1/2

1,8 ГеВ

Третє покоління

b

красивий (beauty, bottom)

−1/3

0

0

−1

0

−1/2

4,5 ГеВ

t

правдивий (true, top)

+2/3

0

0

0

1

1/2

175 ГеВ

І нарешті, третя велика група - частинки, які переносять взаємодію. По-перше, це фотон. Ви вже знаєте, що фотон - це квант електромагнітного поля, який переносить електромагнітну взаємодію. Тобто, якщо два заряджених тіла вступають в електромагнітну взаємодію, вони обмінюються фотонами. До цієї групи також відносяться такі частинки взаємодії, як векторні бозони. Вони відповідають за слабку взаємодію між елементарними частинками. Ще  представники цієї групи - глюони. Вони  переносять сильну взаємодію, тобто діють між кварками всередині адронів. Вчені розглядають також існування ще однієї гіпотетичної частинки - гравітона. Як ви вже здогадалися із назви, він повинен відповідати за гравітаційну взаємодію. Отже, якщо гравітон буде відкритий, ми остаточно переконаємося, що всі взаємодії в природі мають обмінний характер, тобто переносяться частинками. І, сподіваємося, це відбудеться досить скоро. Нещодавно вченим вдалося зафіксувати гравітаційні хвилі, а це вже дуже важливий шлях до знаходження гравітона.

Поглянемо тепер на підсумкову таблицю частинок Стандартної моделі (рис. ІІ(ІІ)-2.2)

Рис. B2-2.2.  Сучасний вигляд Стандартної моделі

.

B2-2.3. Стандартна модель:  невловимий бозон Хіггса

У верхньому правому куті ми бачимо ще одну частинку, яка заслуговує на те, щоб приділити їй увагу. Це той самий відомий бозон Хіггса, за яким вчені полювали не один рік. Саме відкриття бозона Хіггса за допомогою Великого Адронного Коллайдера допомогло остаточно закінчити формування Стандартної моделі у сучасному вигляді. Але чому вченим знадобився ще один бозон? Усі відомі взаємодії вже знайшли свої бозони, які переносять взаємодії. Фотон, глюон, Z та W бозони зайняли своє місце в Стандартній моделі. Яку ж роль відвели бозону Хіггса?

Річ у тому, що вчені довго не могли зрозуміти, яким чином елементарні частинки набувають різної маси. Британський фізик Пітер Хіггс запропонував гіпотезу, що існує особливе поле, при взаємодії з яким багато елементарних частинок отримують ту чи іншу масу. Це поле отримало назву поле Хіггса. Але ми з вами пам’ятаємо, що взаємодії в Природі мають обмінний характер, таким чином має бути частинка, яка переносить взаємодію у полі Хіггса. Це ї є бозон Хіггса. Але просто так його виявити неможливо, для цього треба визвати дуже великі потрясіння у світі   елементарних частинок, заставити їх взаємодіяти на дуже великих енергіях. Саме для цього в тому числі, в середині 80-х років на кордоні між Швейцарією та Францією почали будувати Великий Адронний Колайдер (ВАК). На повну силу запрацював ВАК після 2007 року.

Рис. B2-2.3. Великий Адронний Колайдер з висоти пташиного польоту  

Рис. B2-2.4 .Коридорами Великого Адронного Коллайдера  

Це дійсно грандіозна споруда представляє собою прискорювач елементарних частинок, а саме протонів та деяких важких ядер, наприклад, ядер Плюмбуму (див. рис.  B2-2.3. та  2.4 ) Частинки розганяються до дуже великих енергій, а потім стикаються. В результаті зіткнень відбуваються багато проміжних перетворень частинок одна в іншу. Саме в таких умовах є можливість виявлення бозона Хіггса. Після декількох років спостережень, влітку 2012 бозон Хіггса було виявлено.  І вже в 2013 році Пітер Хіггс разом з французьким фізиком Франсуа Еглером (рис.  B2-2.5) отримав Нобелівську премію за це видатне відкриття.

Рис. B2-2.5. Франсуа Еглер та Пітер Хіггс розповідають студентам про фізичну суть бозона Хіггса

Але що далі? Невже Стандартна модель пояснює усі процеси та явища у світі елементарних часток? На жаль, і на щастя, ні. На жаль, тому що людству дуже кортить знати, яким чином побудований світ навколо. А на щастя тому, що кожен з вас може стати наступним Пітером Хіггсом і внести своє ім’я в історію великих перемог людства над загадками Природи.  

B2-2. Сухий залишок

B2-2. Проблеми для обговорення та завдання

B2-2.1.

B2-2.. Чому дорівнюють ці одиниці: кеВ, МеВ, ГеВ?

Додаток B2-3. Деякі визначення

Матерія — основа буття, яка проявляється у всій різноманітності об'єктів, процесів і явищ. Існує в русі, розвитку та взаємоперетвореннях.
Традиційно виділялися два види матерії — речовина та фізичні поля. Такий поділ є умовним, оскільки в рамках квантової теорії поля будь-яка частинка описується квантованим фізичним полем. Квантування полів надає їм ознаки корпускулярності.

Речовина — вид матерії, яка характеризується масою та складається з елементарних частинок (електронів, протонів, нейтронів, мезонів тощо).

Фізичне поле — вид матерії на макроскопічному рівні, посередник взаємодії між частинками речовини або віддаленими одне від одного макроскопічними тілами. Прикладами фізичного поля є електромагнітне поле, гравітаційне поле, поле ядерних сил. Взаємодія в квантовій теорії поля — результат обміну квантами поля.

Енергія — це загальна кількісна міра руху і взаємодії всіх видів матерії. Енергія не виникає ні з чого і нікуди не зникає, вона може тільки переходити з одного стану в інший (закон збереження енергії). Поняття енергії поєднує всі явища природи в одне ціле, є загальною характеристикою стану фізичних тіл і фізичних полів. Поняття енергії пов'язане зі здатністю фізичного тіла або системи виконувати роботу. При цьому тіло або система частково втрачає енергію, витрачаючи її на зміни в навколишніх тілах.

Елементарні частинки — найдрібніші суб'ядерні частинки речовини або фізичного поля. Це дискретні структурні елементи, що можуть існувати окремо. Найхарактернішою особливістю елементарних частинок є їхня здатність до перетворень і взаємодії. При цьому дочірні частинки — це не структурні складові материнських, вони народжуються при актах перетворення. Майже всі елементарні частинки нестабільні (за вийнятком електрона, протона, нейтрона, нейтрино, фотона). Відкрито понад 500 елементарних частинок і їх число зростає й надалі.

Спін — фундаментальна квантова характеристика частинки, яка не має аналогів у класичній фізиці. Спін може набувати лише певні (квантовані) значення.

За величиною спіну всі елементарні частинки поділяють на два класи:
ферміони — частинки з напівцілим спіном (наприклад, електрон, протон, нейтрон, нейтрино);
бозони — частинки з цілим спіном (наприклад, фотон).

За видами взаємодій елементарні частинки поділяють на такі групи:

адрони — частинки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій; їх нараховується більше 400; вони складаються з кварків і поділяються, у свою чергу, на:

мезони (адрони з цілим спіном, тобто бозони; складаються з кварків та антикварків);

баріони (адрони з напівцілим спіном, тобто ферміони; складаються з трьох кварків); до них, зокрема, відносяться частинки, що становлять ядро атома, — протон і нейтрон.

лептони — ферміони, не беруть участь в сильних взаємодіях; в електромагнітних взаємодіях беруть участь заряджені лептони (електрони, мюони, тау-лептони) і не беруть нейтрино;

кварки — дробовозаряджені частинки, що входять до складу адронів; у вільному стані не спостерігалися; беруть участь у сильній взаємодії;

калібрувальні бозони — частинки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії:

фотон — частинка, що переносить електромагнітну взаємодію

глюони — частинки, що переносять сильну взаємодію;

проміжні векторні бозони W+, W- і Z0, що переносять слабку взаємодію;

гравітон — гіпотетична частинка, що переносить гравітаційну взаємодію.

Адрони і лептони утворюють речовину. Калібрувальні бозони — кванти, що забезпечують існування різних видів фізичних полів.

Точкові частинки речовини  — лептони і кварки. Саме щодо них (разом із калібрувальними бозонами) застосовується термін «фундаментальні частинки».

В Стандартній моделі присутній бозон Хіггса, відкритий у 2012 році.

Сильна взаємодія — одна з чотирьох фундаментальних сил природи, інші три: електромагнітна, слабка взаємодія і гравітаційна взаємодія. Сильна ядерна взаємодія найпотужніша з взаємодій, однак, вона проявляється на відстанях, співмірних з розміром ядра атома. Сильна взаємодія пов'язує разом кварки, а також пов'язує протони і нейтрони в ядрі атома. Частинками-носіями сильної ядерної взаємодії  є 8 типів глюонів.

Електромагнітна взаємодія відповідає за притягання електронів до ядер атомів, а тому відповідає за формування атомів та молекул і за їхні властивості. Проявом електромагнітної взаємодії є також світло — потік фотонів. Це — далекодійна взаємодія. Поширюється у формі електромагнітного поля, що складається з безмасових квантів — фотонів. В електромагнітній взаємодії беруть участь кварки і лептони, що мають електричний заряд, натомість вона не впливає на нейтральні частинки нейтрино.

Електричний заряд – фізична величина, яка характеризує здатність тіл створювати електромагнітні поля та брати участь в електромагнітній взаємодії.

Слабка взаємодія — одна з чотирьох фундаментальних фізичних взаємодій між елементарними частинками поряд із гравітаційною, електромагнітною і сильною взаємодією. Найвідомішим проявом слабкої взаємодії є бета-розпад і пов'язана з ним радіоактивність. Взаємодія має короткий радіус дії і проявляється лише на відстанях порядку розміру атомного ядра. Вважається, що вона характерна для кварків і лептонів, включно з нейтрино. Частинками-переносниками слабкої взаємодії є W- і Z-бозони - дуже масивні елементарні частинки з масами порядку десятків мас протона. Слабка взаємодія є також причиною термоядерних реакцій.

Сильна взаємодія (найсильніша взаємодія) сильніша за слабку (третя за силою) в мільярд разів. Кулонівська взаємодія на тих масштабах, де діє слабка взаємодія, сильніше слабкої в мільйон разів. Слабка взаємодія сильніша за гравітацію в сто мільярдів мільярдів мільярдів разів.

Гравітаційна взаємодія найслабша із фундаментальних взаємодій, однак її характерною особливістю є те, що тіла, які мають масу, завжди притягуються одне до одного. Притягання дуже великих мас в астрономічних масштабах створює значні сили. Несуперечлива квантова теорія гравітації на сьогоднішній день ще не створена.

Більшу частину матерії Всесвіту (темну матерію) ми можемо спостерігати тільки завдяки її гравітаційному тяжінню — наразі невідомо, чим саме є ця матерія, і не знайдено ніяких інших способів, яким вона взаємодіє з рештою всесвіту.

Темна енергія — в космології гіпотетична форма енергії, що має від'ємний тиск і рівномірно заповнює весь простір Всесвіту. Від'ємний тиск має породжувати відштовхування, антигравітацію. Темна енергія домінує у Всесвіті, складає близько 70% його маси і спричиняє прискорене розширення Всесвіту. Другою важливою особливістю темної енергії є її невзаємодія з речовиною, або принаймні ця взаємодія знаходиться за межами наших можливостей до вимірювання.

Темна матерія і темна енергія разом складають більшу частину (більше 90%) маси нашого Всесвіту, і мають невідому, але достеменно різну природу. Темна матерія складається з частинок невідомого виду, що взаємодіють зі звичайною матерією гравітаційно, і не взаємодіють ніякими іншими способами, або взаємодіють надзвичайно слабко. Темна енергія не є частинками будь-якого сорту, є полем невідомого виду, або ж властивістю безпосередньо фізичного вакууму.