Физика элементарных частиц - это раздел физики, который занимается изучением элементарных субатомных частиц - частиц, из которых состоят атомы. В начале 20 века было сделано много экспериментальных открытий, которые показали, что атомы, которые считались самым маленьким компонентом материи, состоят из еще более мелких частиц. Для объяснения этого были разработаны новые теории (например, Стандартная модель физики элементарных частиц), было разработано много новых экспериментов (с использованием оборудование, такое как ускорители частиц), и постепенно стало ясно, что частицы, составляющие атомы, могут быть разрушены даже способствовать. Двумя примерами таких частиц являются кварки и лептоны, и, хотя эти типы частиц имеют много общего, их различия часто разительны.
И кварки, и лептоны являются фундаментальными частицами
Кварки (названные лауреатом Нобелевской премии Мюрреем Гелл-Манном в честь цитаты из книги Джеймса Джойса «Пробуждение по Финнегану») и лептоны в настоящее время считаются наиболее фундаментальными частицами из существующих; то есть они не могут быть разбиты на другие составляющие частицы. Кварки и лептоны сами по себе не являются частицами; скорее, они относятся к семействам частиц, каждое из которых состоит из шести членов. Семейство кварковых частиц состоит из верхних, нижних, верхних, нижних, очаровательных и странных частиц, тогда как лептоны состоят из электрона, электронного нейтрино, мюона, мюонного нейтрино, тау и тау нейтрино частицы. Также существуют античастицы, связанные с каждой частицей, причем античастица является зеркальной противоположностью соответствующей частицы (например, имеет противоположный заряд).
Лептоны имеют целочисленный заряд; Кварки имеют дробный заряд
Лептоны имеют электрический заряд, равный одной фундаментальной единице заряда (определяемой как заряд одной единицы). электрон), в случае электрона, мюона или тау, или без заряда, в случае соответствующего нейтрино. С другой стороны, каждый кварк имеет дробные заряды (+/- 1/3 или +/- 2/3, в зависимости от кварка). Когда эти кварки сгруппированы вместе, сумма их зарядов всегда составляет целочисленный заряд. Например, если два верхних кварка и один нижний кварк (с зарядами +2/3 и -1/3 соответственно) сгруппированы вместе, сумма зарядов в сумме составляет +1, и создается новая частица. Эта новая частица - протон, один из основных компонентов атомного ядра.
Лептоны могут существовать свободно; Кварки не могут
Хотя все кварки имеют дробный заряд, кварк никогда не будет существовать свободно в природе; это из-за фундаментальной силы, известной как «сильная сила». Сильная сила, опосредованная несущие силу частицы, называемые глюонами, действуют в ядрах атомов и удерживают кварки, притягиваясь к одному Другой. Сила между кварками увеличивается по мере того, как они расходятся, гарантируя, что свободный кварк никогда не будет обнаружен. Область исследований, посвященная взаимодействию кварков и глюонов, называется квантовой хромодинамикой (КХД). С другой стороны, лептоны - очень «независимые» частицы, и их можно изолировать.
Кварки и лептоны подвержены различным фундаментальным силам
В природе существует четыре фундаментальных силы: сильное взаимодействие (которое удерживает атомные ядра и кварки вместе), слабое взаимодействие (которое отвечает за радиоактивный распад), электромагнитная сила (которая помогает удерживать атомы вместе) и гравитационная сила (которая действует на любой объект с массой или энергией в Вселенная). На кварки действуют все фундаментальные силы; лептоны, с другой стороны, подвержены всем силам, кроме сильной силы. Это потому, что сильное взаимодействие имеет очень короткий радиус действия, обычно меньший, чем у атомного ядра; следовательно, сильная сила обычно ограничивается этой областью. С другой стороны, слабые, электромагнитные и гравитационные силы могут действовать на гораздо большем расстоянии, чем сильные.