Номер 3, страница 238 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Вопросы. § 65. Взаимодействие кварков. Глава 8. Элементарные частицы - номер 3, страница 238.

3. Что такое кварк-лептонная симметрия? Сколько фундаментальных частиц образуют Вселенную?

Что такое кварк-лептонная симметрия?

Кварк-лептонная симметрия — это один из ключевых принципов Стандартной модели физики элементарных частиц, который указывает на глубокую аналогию в строении двух фундаментальных классов частиц вещества (фермионов): кварков и лептонов.

Суть этой симметрии заключается в том, что все известные фундаментальные фермионы можно сгруппировать в три поколения (или семьи). Каждое поколение имеет абсолютно одинаковую структуру и включает в себя два кварка и два лептона:

• Первое поколение: из этих частиц состоит вся стабильная материя во Вселенной.
  • Кварки: верхний (up, u) и нижний (down, d).
  • Лептоны: электрон (e) и электронное нейтрино (νe).
• Второе поколение: частицы этого поколения нестабильны и быстро распадаются на частицы первого поколения.
  • Кварки: очарованный (charm, c) и странный (strange, s).
  • Лептоны: мюон (μ) и мюонное нейтрино (νμ).
• Третье поколение: самые тяжелые и самые нестабильные частицы.
  • Кварки: истинный (top, t) и прелестный (bottom, b).
  • Лептоны: тау-лептон (τ) и тау-нейтрино (ντ).

Эта симметрия проявляется в том, что в каждом поколении есть пара кварков с зарядами $+2/3e$ и $-1/3e$ и пара лептонов с зарядами $-1e$ и $0$. Однако эта симметрия не является идеальной (она "нарушена"). Основные различия между кварками и лептонами:

1. Взаимодействия: Кварки участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях (сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном), в то время как лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
2. Электрический заряд: Кварки обладают дробным электрическим зарядом (например, $+2/3e$ для u-кварка), а заряженные лептоны — целым зарядом ($-1e$ для электрона).
3. Массы: Массы частиц даже внутри одного поколения сильно различаются.

Наличие кварк-лептонной симметрии может указывать на существование более глубокой, единой теории (например, Теории Великого Объединения), в рамках которой кварки и лептоны могут быть различными проявлениями одной и той же сущности.

Ответ: Кварк-лептонная симметрия — это принцип Стандартной модели, согласно которому фундаментальные частицы вещества (фермионы) организованы в три поколения с идентичной структурой, где каждое поколение включает два кварка и два лептона.

Сколько фундаментальных частиц образуют Вселенную?

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает всё известное вещество и взаимодействия (кроме гравитации), Вселенную образуют 17 типов фундаментальных частиц. Эти частицы делятся на две большие группы: фермионы (частицы вещества) и бозоны (частицы-переносчики взаимодействий и бозон Хиггса).

1. Фермионы (12 частиц): Это "кирпичики" вещества, из которых состоят протоны, нейтроны, электроны и т.д. Они делятся на:

• 6 кварков: верхний (up), нижний (down), очарованный (charm), странный (strange), истинный (top), прелестный (bottom).
• 6 лептонов: электрон, мюон, тау-лептон, а также три соответствующих им нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино).

2. Бозоны (5 частиц):

• 4 калибровочных бозона (переносчики сил):
  • Фотон — переносит электромагнитное взаимодействие.
  • Глюон — переносит сильное ядерное взаимодействие (связывает кварки в протонах и нейтронах).
  • W- и Z-бозоны — переносят слабое ядерное взаимодействие (ответственно за некоторые виды радиоактивного распада).
• 1 скалярный бозон:
  • Бозон Хиггса — частица, связанная с полем Хиггса, которое придаёт массу другим фундаментальным частицам.

Таким образом, общее количество типов фундаментальных частиц в Стандартной модели составляет $6$ (кварки) + $6$ (лептоны) + $4$ (калибровочные бозоны) + $1$ (бозон Хиггса) = $17$ частиц. К этому следует добавить, что у каждого фермиона существует своя античастица (например, у электрона есть позитрон), но они не считаются отдельным типом частиц в этом контексте.

Важно отметить, что Стандартная модель не является полной теорией. Она не описывает гравитацию (для которой гипотетически существует частица-переносчик — гравитон), а также не объясняет природу тёмной материи и тёмной энергии, которые, как считается, составляют большую часть массы-энергии Вселенной.

Ответ: Согласно Стандартной модели, существует 17 типов фундаментальных частиц: 12 фермионов (6 кварков и 6 лептонов) и 5 бозонов (4 переносчика взаимодействий и бозон Хиггса).