Преглед на кода на Елементарна частица

Във [[физика на елементарните частици|физиката на елементарните частици]] под '''елементарна частица''' се разбира частица, за която няма експериментални доказателства за наличието на вътрешна структура, т.е. не е съставена от други, по-малки частици. Елементарните частици са основните градивни единици на материята; от тях са изградени съставните частици, като [[протон]]ите и [[неутрон]]ите. [[Стандартен модел|Стандартният модел]] във [[Физика на елементарните частици|физиката на елементарните частици]] подрежда многообразието от елементарни частици и обяснява техните свойства и взаимодействия. В [[Стандартен модел|стандартния модел]] елементарните частици се подреждат в три поколения, като всяко поколение съдържа два [[кварк]]а – горен и долен, и два [[лептон]]а – единият е електрически зареден, а другият е електронеутрален. Различните типове взаимодействия между фундаменталните частици се осъществяват чрез преносителите на взаимодействия – така наречените [[калибровъчни бозони]].

В [[Стандартен модел|стандартния модел]] има четири калибровъчни бозона, благодарение на които се осъществяват електромагнитното и слабото взаимодействие и още осем [[глуон]]ни полета, които пренасят силното взаимодействие между кварките.<ref>{{cite book | author=Gribbin, John | title=Q is for Quantum – An Encyclopedia of Particle Physics | publisher=Simon & Schuster | year=2000 | id=ISBN 0-684-85578-X}}</ref><ref>{{cite book | author=Clark, John, E.O. | title=The Essential Dictionary of Science | publisher=Barnes & Noble | year=2004 | id=ISBN 0-7607-4616-8}}
</ref>

[[Атом]]ите са съставени от други, по-малки частици – [[електрон]]и, [[протон]]и и [[неутрон]]и. Протоните и неутроните от своя страна са съставени от още по-малки частици, наричани с общото име [[кварк]]и. Днес са известни няколкостотин елементарни частици – повече от атомите в [[периодична система на елементите|периодичната система на елементите]]. До 70-те години на XX век се е смятало, че един от най-важните въпроси на атомната физика е кои са елементарните частици, с други думи ''фундаменталните частици'' – от които са съставени всички други частици в природата и които не са изградени от други, по-малки частици. Днес опитите за единно обяснение на всички частици и явления в микросвета са обединени в т. нар. „[[теория на всичко]]“. Една такава теория е например [[Суперструнна теория|суперструнната теория]], но тя все още няма експериментално потвърждение. Днес основната [[парадигма]] относно елементарните частици е, че всяка теория като [[стандартен модел|стандартния модел]] има горна граница на енергиите, при които теорията е валидна. При преминаване към по-високи енергии (което съответства на по-малки разстояния) е нужна нова теория, която може да съдържа нови частици или други обекти, например „струни“. Тази нова теория е подложена на едно много силно ограничение: старата теория трябва да се получи като граничен случай ([[нискоенергетична граница]]) на новата теория. Понякога това може да означава, че „старите“ частици са съставни и са изградени от „новите“ такива, но може и „старите“ (нискоенергетичните) частици да съответствуват на „новите“, но да придобиват нови свойства, например ненулева маса. Двете явления се срещат и в [[стандартен модел|стандартния модел]], при преход от по-високи енергии към по-ниски. Пример за първото е изграждането на [[адроните]] от [[кварки]] и [[глуони]], а пример за второто е придобиването на маса от кварките чрез [[механизъм на Хигс|механизма на Хигс]] или придобиването на маса от адроните.

== Общ преглед. Стандартен модел ==
{{основна|Стандартен модел}}
В зависимост от своя [[спин]] елементарните частици се делят на [[бозон]]и и [[фермион]]и, подчиняващи се съответно на [[статистиката на Бозе—Айнщайн]] и [[Статистика на Ферми-Дирак|статистиката на Ферми—Дирак]]. Частиците, изграждащи материята, са фермиони (имат полуцял спин). Те са разделени на 12 групи, условно наречени аромати. Частиците, изграждащи фундаменталните полета на взаимодействие, са бозоните (имат цял спин).<ref>{{cite book | author=Veltman, Martinus | title=Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics | publisher=World Scientific | year=2003 | id=ISBN 981-238-149-X}}</ref>

Преди създаването на '''[[стандартен модел|стандартния модел]]''' (началото на 70-те години на XX век) елементарните частици са били класифицирани въз основа на масата си.

* [[лептон]]и (от [[гръцки език|гр.]] ''лептос'' – малък, лек) – тук влизат например електроните
* [[мезон]]и (от гр. ''мезос'' – среден) – по маса заемат междинно положение
* [[барион]]и (от гр. ''барис'' – тежък) – протоните и неутроните са част от това семейство

=== Основни взаимодействия в стандартния модел ===
В днешно време елементарните частици се класифицират въз основа на стандартния модел – теория, която систематизира и обяснява всички експериментални наблюдения във [[физика на високите енергии|физиката на високите енергии]] и [[ядрена физика|ядрената физика]] до този миг.

Известни са четири [[фундаментални взаимодействия]] (сили) между елементарните частици. Подредени в намаляващ ред, те са: [[силно взаимодействие|силно]], [[електромагнитно взаимодействие|електромагнитно]], [[слабо взаимодействие|слабо]] и [[гравитационно взаимодействие|гравитационно]] взаимодействие. Стандартният модел обединява електромагнитното и слабото взаимодействие в едно взаимодействие, наречено [[електрослабо взаимодействие|електрослабо]]. Съществуват теории, които разширяват стандартния модел, като обединяват и другите взаимодействия, но тези теории все още не са потвърдени експериментално. Теориите за [[Велико обединение|Великото обединение]] (началото на 80-те години на XX век) обединяват силното и електрослабото взаимодействие. [[Суперструнна теория|Суперструнната теория]] от края на 80-те години на XX век обединява всичките четири взаимодействия. Същото се стреми да направи нейният конкурент – теорията за [[примкова квантова гравитация]] (от края на 90-те години на XX век).

* '''[[Фермион]]и:'''
:[[Кварк]]и — [[горен кварк]], [[долен кварк]], [[чаровен кварк]], [[странен кварк]], [[топ кварк]], [[дънен кварк]]
::[[Лептон]]и — [[електронно неутрино]], [[електрон]], [[мюонно неутрино]], [[мюон]], [[тау-неутрино]], [[тау-лептон]]
* '''[[Бозон]]и:'''
::[[Калибровъчни бозони]] – [[глуон]], [[W и Z бозони]], [[фотон]]
::Други бозони – [[бозон на Хигс]], [[гравитон]]

Стандартният модел (СМ) съдържа 12 типа (аромата) елементарни фермиони и техните античастици, както и елементарните бозони, които носят фундаменталните взаимодействия.

=== Експериментален и теоретичен статут на стандартния модел ===
Стандартният модел е подкрепен с огромен експериментален материал. Някои негови предсказания, например аномалният магнитен момент на електрона, са едни от най-точните в човешкото познание. Съвпадението между теория и експеримент в този случай е 10 части на трилион (10<sup>-11</sup>). Като всяка добра физическа теория, стандартният модел има граници на валидност. Експериментално той е изучен до енергии от около 150 GeV, които съответстват на разстояния около и над 10<sup>-20</sup>m. Теоретично той би могъл да е валиден до много по-високи енергии (тъй като всички негови взаимодействия са [[пренормируеми]] и константите на взаимодействие се изменят само логаритмично с енергията). В крайна сметка съществува енергетичен мащаб, при който дори теоретично стандартният модел престава да бъде валиден и трябва да бъде заместен от друга теория, на която той е нискоенергетична граница. Стандартният модел, както и всяка друга [[квантова теория на полето]], е фундаментално несъвместим с [[Обща теория на относителността|общата теория на относителността]] (ОТО). Последната обаче може да бъде линеаризирана и в този орязан вариант да бъде квантувана. Тази теория е непренормируема и бързо губи прогностична стойност. Частицата, която пренася гравитационното взаимодействие в тази квантова теория, се нарича [[гравитон]]. Той, както и всички останали ефекти на квантовата гравитация, не е наблюдаван експериментално и няма особени надежди това да се случи скоро. Опити да се създаде високоенергетична теория, която включва стандартния модел и пълната квантова версия на ОТО са [[Суперструнна теория|суперструнната теория]] и [[Примкова квантова гравитация|примковата квантова гравитация]]. Тези теории също страдат от липса на експериментални потвърждения и такива не се очакват в близко бъдеще.

Много от физиците очакват, че скоро (например в експериментите с [[Голям адронов ускорител|големия адронен колайдер]] в [[ЦЕРН]]) ще бъде открита физика отвъд стандартния модел. Една от възможностите е за проявяване на [[суперсиметрия]] при мащаба на [[слабо взаимодействие|слабите взаимодействия]] (който е и енергетичният мащаб на експериментите). Точният вид на теорията, която включва тази суперсиметрия, е неизвестен, но е възможно да се формулира някакво суперсиметрично разширение на стандартния модел. То се нарича [[минимален суперсиметричен стандартен модел]] (МССМ) и съдържа много повече свободни параметри от стандартния модел. Това не е особен теоретичен проблем, тъй като МССМ не претендира да бъде фундаменатална теория, а само параметризация на очакваните експериментални резултати. Повече от половината от частиците в МССМ не са открити още. Както във всички суперсиметрични теории, в МССМ на всеки бозон съответства суперсиметричен партньор – фермион, чието име завършва на „-ино“ (например фотон – фотино) и на всеки фермион съответства суперсиметричен партньор – бозон, чието име започва със „с-“ (например електрон – селектрон). Един от най-популярните кандидати за състава на[[тъмна материя|тъмната материя]] е масивният суперсиметричен партньор на някой от неутралните бозони в стандартния модел. Тъй като не е известно на кой точно, тази частица се нарича [[неутралино]].

=== Фундаментални фермиони ===
{{основна|фермион}}

12-те фундаментални фермиона (6 кварка и 6 лептона) са разделени на 3 поколения (по 4 частици във всяко от тях). Заредените лептони имат отрицателен единичен заряд.

{| class="wikitable" width=100%
|+ '''Поколение елементарни частици'''
|- valign=top
| Първо поколение
* [[електрон]]: ''e<sup>−</sup>''
* [[електронно неутрино]]: ''ν<sub>e</sub>''
* [[горен кварк]]: ''u''
* [[долен кварк]]: ''d''
| Второ поколение
* [[мюон]]: ''μ<sup>−</sup>''
* [[мюонно неутрино]]: ''ν<sub>μ</sub>''
* [[чаровен кварк]]: ''c''
* [[странен кварк]]: ''s''
| Трето поколение
* [[тау-лептон]]: ''τ<sup>−</sup>''
* [[тау-неутрино]]: ''ν<sub>τ</sub>''
* [[топ кварк|топ (върхов, истинен) кварк]]: ''t''
* [[дънен кварк|дънен (красив) кварк]]: ''b''
|}

==== Античастици ====
{{основна|антиматерия}}

На 12-те елементарни фермиона отговарят 12 антифермиона. Трите заредени лептона имат положителен единичен заряд.

{| class="wikitable" width=100%
|+ '''Античастици'''
|- valign=top
| Първо поколение
* [[позитрон]]: ''e<sup>+</sup>''
* електронно антинеутрино: <math> \bar{\nu}_e </math>
* горен антикварк: <math> \bar{u}</math>
* долен антикварк: <math> \bar{d}</math>
| Второ поколение
* положителен мюон: ''μ<sup>+</sup>''
* мюонно антинеутрино: <math> \bar{\nu}_\mu </math>
* очарован антикварк: <math> \bar{c}</math>
* странен антикварк: <math> \bar{s}</math>
| Трето поколение
* положителен тау лептон: ''τ<sup>+</sup>''
* тау антинеутрино: <math> \bar{\nu}_\tau </math>
* топ (върхов, истинен) антикварк: <math> \bar{t}</math>
* дънен (красив) антикварк: <math> \bar{b}</math>
|}

==== Кварки ====
{{основна|кварк}}

Кварките и антикварките не съществуват в свободни състояния поради свойството на силното взаимодействие, наречено [[удържане]] ({{lang|en|confinement}}). Всеки кварк е носител на един от трите цвята на силното взаимодействие (наречени условно „червен“, „зелен“ и „син“), а антикварките носят съответно три антицвята („античервен“, „антизелен“, „антисин“). Цветните частици взаимодействат чрез обмяна на глуони (така както заредените частици взаимодействат чрез обмяна на фотони) – също носители на цветове. Основно свойство на силното взаимодействие с обмен на цветни частици е, че силата му се увеличава с нарастване на разстоянието между частиците (за разлика от електромагнитното взаимодействие, където се наблюдава обратното).

Като свободни частици в природата се наблюдават само безцветни (или бели) състояния, наречени [[адрон]]и. Безцветна частица би могла да се получи при взаимодействие на кварк и антикварк, носещи определен цвят и съответния му антицвят. Такива структури се наричат [[мезон]]и. Друг вариант за получаване на безцветна частица е комбинирането на три кварка (или три антикварка), които носят трите различни цвята (или антицвята). Такива структури се наричат [[барион]]и (или съответно антибариони). Протонът и неутронът са примери за адрони – бариони. Съществуват и по-екзотични начини за образуване на стабилни безцветни състояния, които обаче все още са експериментално ненаблюдавани – пентакваркът, например, се състои от 4 кварка и 1 антикварк.

Кварките носят дробен електричен заряд (<math>+{2 \over 3}</math> или (<math>-{1 \over 3}</math>), който не се наблюдава самостоятелно поради конфайнмънта. Структурите, които образуват, имат сумарен целочислен или нулев заряд. Антикварките носят противоположния на съответния кварк заряд (<math>-{2 \over 3}</math> или <math>+{1 \over 3}</math>).

=== Фундаментални бозони ===
В стандартния модел векторните бозони (със спин 1) ([[глуон]]ите, [[фотон]]ът, [[W и Z бозони]]те) са преносители на взаимодействията, а скаларният [[бозон на Хигс]] (нулев спин) осъществява получаването на маса при частиците.

==== Глуони ====
Глуоните са носители на силното взаимодействие и носят едновременно цвят и антицвят. Глуоните са безмасови частици, но никога не са наблюдавани експериментално, поради конфайнмънта на силното взаимодействие. Тяхното съществуване е доказано по косвен начин от ражданите от тях адронни струи.

==== Електрослаби бозони ====
Слабите взаимодействия се пренасят от три масивни калибровъчни бозона – два електрически заредени и един неутрален: ''W<sup>+</sup>'', ''W<sup>−</sup>'' и ''Z<sup>0</sup>''. Електромагнитното взаимодействие се пренася от безмасов фотон.

=== Допълнителна информация ===
# Частиците на взаимодействието имат целочислен [[спин]] и са свързани с вътрешни (не пространствено-временни) симетрии на теорията, наречени [[калибровъчни симетрии]]. Всички частици с целочислен спин се наричат [[бозон]]и. Частиците от един и същ вид са неразличими една от друга и могат да се намират в едно и също [[квантово състояние]].
#* Носителят на електромагнитното взаимодействие е [[фотон]]ът γ, който е безмасов и има спин 1.
#* Носителите на слабото взаимодействие са W<sup>+</sup>, W<sup>-</sup> и Z<sup>0</sup> бозоните с маси съответно 80,4 и 91,2 [[GeV]] и спин 1. Тези частици са нестабилни и се разпадат.
#* Носителите на силното взаимодействие са безмасовите [[глуон]]и g, които имат спин 1, но те както и [[кварк]]ите, споменати по-долу имат „цветен“ заряд и поради явленията [[удържане]] и [[асимптотична свобода]] съществуват като свободни частици само на малки разстояния от други цветни заряди, докато всеки опит, цветен заряд да се отдели на голямо разстояние води до образуването на цветно-неутрален [[адрон]]. Съществуват 8 глуона и 8 [[антиглуон]]а.
#* Носителят на гравитационното взаимодействие е безмасовия [[гравитон]] G със спин 2, но поради изключително слабото им взаимодействие с останалите частици, гравитоните не са наблюдавани експериментално и гравитационните взаимодействия не са включени в стандартния модел. За разлика от гравитоните, касически [[гравитационни вълни]] се очаква да бъдат наблюдавани в най-близко бъдеще чрез [[детектори на гравитационни вълни]], като новопостроеният [[LIGO]].
# Частиците на материята имат спин 1/2 и се наричат [[фермион]]и. Това означава, че частиците от един и същ вид са неразличими една от друга, но не могат да се намират в едно и също [[квантово състояние]]. Частиците на материята се разделят по два признака: „аромат“ и поколение. Освен това за всяка една от тези частици съществува [[античастица]], която има същата маса и спин, но противоположен електрически заряд и други [[квантово число|квантови числа]].
#* Всяко поколение съдържа следните аромати:
#** Двойка лептони (частици, неучастващи в силните взаимодействия). Първият лептон има отрицателен заряд, а вторият е неутрален и се нарича [[неутрино]]. Беше открито, че неутринотата не са безмасови, а имат изключително малка маса (от порядъка на 10<sup>-12</sup> GeV). Зареденият лептон от първото поколение е [[електрон]]ът с маса 0,000511 GeV. Антиелектронът е по-популярен под името [[позитрон]].
#** Двойка кварки, първият с електрически заряд 1/3, а вторият -2/3 от този на протона. Кварките от първото поколение се наричат горен (u, с маса около 0,005 GeV) и долен (d, с маса около 0,007 GeV)
#** Всяка двойка кварки се среща в три варианта, наречени „цветове“ – син, червен и зелен. Те са аналогът на електрическия заряд при силните взаимодействия. За разлика от електрическия заряд, който е два вида (положителен или отрицателен), цветният заряд е 6 вида (3 цвята и 3 антицвята). Наименованията цвят и аромат са съвсем условни и нямат нищо общо с обикновените понятия за цвят и аромат. Думата цвят е избрана по аналогия с физиологичната теория за цвета.
#* Съществуват само 3 поколения частици и това е доказано експериментално. Лептоните от второто поколение са [[мюон]]ът (µ) и [[мюонно неутрино|мюонното неутрино]] (ν<sub>μ</sub>). Съответните кварки се наричат очарован (c) и странен (s). Лептоните от третото поколение са [[тау-лептон]]ът (τ) и [[тау-неутрино]]то (ν<sub>τ</sub>). Съответните кварки се наричат топ (t) и дънен (b). Частиците от второто и третото поколение са нестабилни и се разпадат на други по-леки частици измежду изброените по-горе. Най-тежката от частиците на материята е t-кваркът, който има маса около 170 GeV и най-кратък живот.
# Третият вид частици са тези, които дават маса на останалите. Поради важни симетрии, теорията изисква всички частици да са първоначално безмасови. Масата се появява чрез специфичен вариант на [[спонтанно нарушение на симетрията]], наречен [[механизъм на Хигс]]. Тези частици имат спин 0 и са бозони. Единствената такава частица в стандартния модел и единствената, която все още не е открита, е бозонът на Хигс (H). Неговата маса е вече определена в ясни граници – между 150 и 300 GeV. Очаква се той да бъде открит в европейския ускорител [[Голям адронов ускорител|LHC]], след пускането му през [[2007]] г. Ако той не бъде открит, това ще доведе до криза в стандартния модел. В LHC се очаква да бъдат открити и първите суперсиметрични частици, което ще доведе до разширяване на стандартния модел.

== Вижте също ==
* [[Електрически заряд]]
* [[Спин (физика)|Спин]]
* [[Атомно ядро]]
* [[Маса]]
* [[Фотон]]

== Източници ==
<references />

{{Списък елементарни частици}}
{{материя}}

[[Категория:Елементарни частици| ]]
[[Категория:Квантова теория на полето]]