Страница 364 - гдз по физике 11 класс учебник Мякишев, Буховцев

1. Что такое кварк?

Кварк — это фундаментальная, бесструктурная частица, являющаяся одним из основных «строительных блоков» материи согласно Стандартной модели физики элементарных частиц. Кварки объединяются, образуя составные частицы, называемые адронами. Самыми известными адронами являются протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра.

Кварки обладают рядом уникальных свойств:

Типы (ароматы) и поколения. Существует шесть типов, или «ароматов», кварков. Они группируются в три поколения. Первое поколение включает верхний (up, u) и нижний (down, d) кварки. Именно из них состоит стабильная материя: протон имеет состав (uud), а нейтрон — (udd). Второе поколение — очарованный (charm, c) и странный (strange, s) кварки. Третье поколение — истинный (top, t) и прелестный (bottom, b) кварки. Кварки второго и третьего поколений намного массивнее и нестабильны, они быстро распадаются на кварки первого поколения.

Дробный электрический заряд. В отличие от всех известных свободно существующих частиц, кварки имеют дробный электрический заряд, кратный $1/3$ от элементарного заряда $e$. Так, u, c, t-кварки имеют заряд $+2/3e$, а d, s, b-кварки — заряд $-1/3e$. Поскольку адроны состоят из кварков, их суммарный заряд всегда получается целым (или нулевым). Например, заряд протона (uud) равен $(+2/3 + 2/3 - 1/3)e = +1e$.

Цветовой заряд. Кварки участвуют в сильном взаимодействии, которое связывает их вместе. «Зарядом» этого взаимодействия является свойство, условно названное «цветом». Существует три цвета (красный, зелёный, синий) и три соответствующих антицвета. Частицы, состоящие из кварков (адроны), всегда являются «бесцветными» или «белыми». Это достигается либо комбинацией трех кварков трех разных цветов (в барионах, как протон), либо комбинацией кварка и антикварка с парой цвет-антицвет (в мезонах).

Конфайнмент (удержание). Это одно из самых важных и необычных свойств кварков. Они никогда не наблюдаются поодиночке, в свободном состоянии. Сильное взаимодействие, которое их связывает, обладает особенностью: чем дальше кварки пытаются удалить друг от друга, тем сильнее становится сила притяжения между ними. Поэтому для разделения кварков потребовалась бы бесконечная энергия. Вместо этого, приложенная энергия идет на рождение новых пар кварк-антикварк, которые тут же образуют новые адроны.

Спин. Кварки являются фермионами, то есть частицами с полуцелым спином, равным $1/2$.

Ответ: Кварк — это фундаментальная элементарная частица, которая является составной частью адронов (например, протонов и нейтронов). Основные характеристики кварка — это наличие дробного электрического заряда, участие в сильном взаимодействии через так называемый «цветовой заряд», и тот факт, что кварки не могут существовать в свободном виде (явление конфайнмента).

2. Что объясняет Стандартная модель?

2. Стандартная модель — это фундаментальная теория в физике элементарных частиц, которая описывает состав и взаимодействия всей известной нам материи. Она объясняет, из каких базовых «кирпичиков» состоит Вселенная и какие силы управляют их поведением. Несмотря на название, это чрезвычайно успешная и экспериментально проверенная теория.

В частности, Стандартная модель объясняет:

• Состав материи: Вся видимая материя состоит из фундаментальных частиц, называемых фермионами. Они делятся на два класса:
  • Кварки: частицы, из которых состоят протоны и нейтроны (а также другие адроны). Существует шесть типов (или «ароматов») кварков: верхний (up), нижний (down), очарованный (charm), странный (strange), истинный (top) и прелестный (bottom).
  • Лептоны: к ним относятся электрон ($e^−$), мюон ($μ^−$), тау-лептон ($τ^−$) и три вида соответствующих им нейтрино ($ν_e, ν_μ, ν_τ$). В отличие от кварков, лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
• Три из четырех фундаментальных взаимодействий: Стандартная модель описывает три силы, которые действуют между частицами материи. Каждая сила передается через обмен частицами-переносчиками, называемыми бозонами.
  • Сильное взаимодействие: удерживает кварки внутри протонов и нейтронов, а также связывает протоны и нейтроны в атомных ядрах. Переносчик — глюон ($g$).
  • Электромагнитное взаимодействие: отвечает за все электрические и магнитные явления, включая свет. Переносчик — фотон ($γ$).
  • Слабое взаимодействие: ответственно за некоторые виды радиоактивного распада, например, бета-распад. Переносчики — W- и Z-бозоны ($W^+, W^−, Z^0$).
• Происхождение массы: Стандартная модель объясняет, почему некоторые частицы имеют массу, а другие (как фотон) — нет. Это происходит благодаря полю Хиггса, которое пронизывает все пространство. Частицы приобретают массу, взаимодействуя с этим полем. Частица, связанная с полем Хиггса, — это бозон Хиггса ($H^0$), который был экспериментально открыт в 2012 году.

Важно отметить, что Стандартная модель является неполной. Она не описывает гравитационное взаимодействие и не может объяснить такие явления, как существование тёмной материи и тёмной энергии, а также преобладание материи над антиматерией во Вселенной.

Ответ: Стандартная модель объясняет, из каких фундаментальных частиц (кварков и лептонов) состоит вся видимая материя, а также описывает три из четырех фундаментальных взаимодействий (сильное, слабое и электромагнитное) между этими частицами. Кроме того, она объясняет механизм возникновения массы у элементарных частиц через их взаимодействие с полем Хиггса.

3. Какие характеристики кварков были введены для объяснения их взаимодействия?

Для объяснения природы взаимодействий кварков, фундаментальных составляющих адронов (таких как протоны и нейтроны), в физику элементарных частиц были введены новые квантовые числа и характеристики.

Ключевой характеристикой, введенной для объяснения сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе, является цветовой заряд или просто «цвет». Эта концепция легла в основу теории сильного взаимодействия — квантовой хромодинамики (КХД).

• Причина введения: Изначально кварковая модель столкнулась с проблемой, связанной с принципом запрета Паули. Некоторые частицы, например $\Delta^{++}$-барион, должны были состоять из трех одинаковых u-кварков с одинаковыми спинами, что невозможно для фермионов. Чтобы разрешить это противоречие, было предложено, что у кварков есть еще одна, внутренняя степень свободы, которую условно назвали «цветом».

• Описание: Каждый кварк может находиться в одном из трех «цветовых» состояний: красном, зеленом или синем. Антикварки обладают соответствующими «антицветами». Сильное взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена частицами-переносчиками — глюонами, которые также несут цветовой заряд.

• Конфайнмент: Важнейший постулат КХД гласит, что все свободно существующие частицы (адроны) должны быть «бесцветными» (иметь нулевой цветовой заряд). Это достигается двумя способами: либо комбинацией трех кварков разных цветов (красный + зеленый + синий = «белый») в барионах, либо комбинацией кварка и антикварка с соответствующим антицветом (например, красный + антикрасный = «белый») в мезонах. Это явление называется конфайнментом (удержанием цвета) и объясняет, почему свободные кварки и глюоны не наблюдаются в природе.

Другой важной характеристикой кварков является «аромат» (flavor). Существует шесть «ароматов» кварков: верхний (up, u), нижний (down, d), странный (strange, s), очарованный (charm, c), прелестный (bottom, b) и истинный (top, t). Аромат определяет массу кварка, его электрический заряд и участие в слабом взаимодействии. Хотя сильное взаимодействие не зависит от аромата, разнообразие ароматов необходимо для объяснения всего спектра существующих адронов.

Также кварки характеризуются дробным электрическим зарядом. Это свойство объясняет их участие в электромагнитном взаимодействии и позволяет правильно вычислить заряды адронов.

• Кварки u, c, t имеют заряд $ + \frac{2}{3}e $.

• Кварки d, s, b имеют заряд $ - \frac{1}{3}e $.

Например, протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка ($uud$), и его суммарный заряд равен $ (+\frac{2}{3} + \frac{2}{3} - \frac{1}{3})e = +1e $.

Ответ: Для объяснения взаимодействия кварков были введены следующие основные характеристики: 1) цветовой заряд («цвет»), который является источником сильного взаимодействия; 2) аромат, который классифицирует кварки по типам и определяет их массу и участие в слабом взаимодействии; 3) дробный электрический заряд, который объясняет электромагнитное взаимодействие кварков и целочисленные заряды состоящих из них адронов.

Повторите материал главы 13 по следующему плану:

1. Составьте список основных свойств элементарных частиц.

1. Основные свойства, или характеристики, элементарных частиц — это внутренне присущие им физические величины, которые определяют их поведение, классификацию и типы взаимодействий, в которых они могут участвовать. Вот список ключевых свойств:

• Масса ($m$): Одна из фундаментальных характеристик частицы, определяющая её инертные и гравитационные свойства. Масса покоя может быть как ненулевой (например, у электрона или протона), так и нулевой (у фотона). В физике частиц массу часто выражают в энергетических единицах, например, в мегаэлектрон-вольтах ($МэВ/с^2$).
• Электрический заряд ($q$): Характеризует способность частицы участвовать в электромагнитных взаимодействиях. Электрический заряд квантован, то есть всегда кратен элементарному заряду $e \approx 1,602 \cdot 10^{-19}$ Кл. Частицы бывают положительно заряженными (позитрон, протон), отрицательно заряженными (электрон) или электрически нейтральными (нейтрон, фотон). В замкнутой системе суммарный электрический заряд сохраняется.
• Спин ($s$): Собственный момент импульса элементарной частицы. Это чисто квантовое свойство, не имеющее прямого аналога в классической механике. Спин квантуется и измеряется в единицах редуцированной постоянной Планка $\hbar$. По значению спина все частицы делятся на две большие группы:
  • Фермионы — частицы с полуцелым спином ($1/2, 3/2, \dots$). К ним относятся все фундаментальные частицы вещества: кварки и лептоны (например, электрон, протон, нейтрон). Они подчиняются принципу Паули.
  • Бозоны — частицы с целым спином ($0, 1, 2, \dots$). К ним относятся частицы-переносчики взаимодействий (фотон, глюон, W- и Z-бозоны) и бозон Хиггса. На них не распространяется принцип Паули.
• Время жизни ($\tau$): Характеристика, определяющая стабильность частицы. Стабильные частицы (электрон, протон, фотон) живут бесконечно долго (или их время жизни настолько велико, что распад не наблюдался). Нестабильные частицы спонтанно распадаются на другие, более лёгкие частицы, за характерное среднее время, называемое временем жизни.
• Специфические квантовые числа: Набор дискретных чисел, которые сохраняются в определённых типах взаимодействий и используются для классификации частиц (особенно адронов).
  • Лептонное число ($L$): Присваивается лептонам ($L=+1$) и антилептонам ($L=-1$). Сумма лептонных чисел сохраняется во всех известных взаимодействиях.
  • Барионное число ($B$): Присваивается барионам (протонам, нейтронам и др.; $B=+1$) и антибарионам ($B=-1$). Сумма барионных чисел также является строго сохраняющейся величиной.
  • Ароматовые квантовые числа (странность $S$, очарование $C$ и др.): Характеризуют наличие в составе частицы кварков определённого "аромата" (странного, очарованного и т.д.). Эти числа сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но могут изменяться в слабых.
• Чётность ($P$): Квантовое число, характеризующее поведение волновой функции частицы при пространственной инверсии (зеркальном отражении). Чётность сохраняется в сильных и электромагнитных, но не в слабых взаимодействиях, что является одним из фундаментальных свойств нашего мира.

Ответ: Основными свойствами элементарных частиц являются масса, электрический заряд, спин, время жизни, а также набор специфических квантовых чисел (лептонное, барионное, ароматовые), которые определяют их классификацию и характер взаимодействий.

2. Выпишите названия четырёх фундаментальных взаимодействий и названия частиц, ответственных за эти взаимодействия.

Решение

В современной физике выделяют четыре фундаментальных взаимодействия. Каждое из них описывается своей теорией и имеет частицы-переносчики, которыми обмениваются взаимодействующие объекты. Ниже приведен список этих взаимодействий и соответствующих им частиц.

1. Сильное ядерное взаимодействие
Это самое интенсивное из всех взаимодействий. Оно отвечает за связь между кварками внутри протонов и нейтронов, а также за удержание протонов и нейтронов (нуклонов) вместе в атомных ядрах, преодолевая электростатическое отталкивание протонов. Это взаимодействие является короткодействующим, его радиус действия сопоставим с размером атомного ядра.
Частица-переносчик: глюон.

2. Электромагнитное взаимодействие
В этом взаимодействии участвуют частицы, обладающие электрическим зарядом. Оно описывает широкий круг явлений: от притяжения электронов к ядру в атомах и химических связей до распространения света и работы электроприборов. Является дальнодействующим.
Частица-переносчик: фотон (квант электромагнитного поля).

3. Слабое ядерное взаимодействие
Это взаимодействие отвечает за некоторые виды радиоактивных распадов, например, за бета-распад нейтрона. Также оно играет ключевую роль в процессах, происходящих в звёздах, например, в термоядерном синтезе. Оно значительно слабее электромагнитного и также является короткодействующим.
Частицы-переносчики: векторные бозоны W⁺, W⁻ и Z⁰.

4. Гравитационное взаимодействие
Это универсальное взаимодействие, в котором участвуют все тела и частицы, обладающие массой или энергией. Несмотря на то, что это самое слабое из четырёх взаимодействий, оно доминирует на больших (астрономических) масштабах, определяя движение планет, звёзд и галактик. В рамках квантовой теории поля предполагается, что гравитационное взаимодействие также переносится частицами.
Частица-переносчик: гравитон (гипотетическая частица, на данный момент экспериментально не обнаружена).

Ответ:
1. Сильное взаимодействие — переносчики глюоны.
2. Электромагнитное взаимодействие — переносчик фотон.
3. Слабое взаимодействие — переносчики W- и Z-бозоны.
4. Гравитационное взаимодействие — переносчик гравитон.

3. Опишите, что включает в себя так называемая Стандартная модель и что она объясняет.

Решение

Стандартная модель — это теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, которая описывает электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия всех известных элементарных частиц. Она является одной из самых успешных и экспериментально проверенных теорий в истории науки.

Что включает в себя Стандартная модель:

Стандартная модель включает в себя набор фундаментальных частиц, которые делятся на две основные группы: фермионы (частицы вещества) и бозоны (частицы-переносчики взаимодействий).

• Фермионы (частицы с полуцелым спином): Это "кирпичики" вещества. Они делятся на кварки и лептоны, и каждая из этих групп состоит из трех поколений частиц. Частицы более высоких поколений тяжелее и нестабильны, они распадаются на частицы первого поколения.
  • Кварки: Участвуют в сильном взаимодействии. Существует 6 типов (или "ароматов") кварков:
    • Первое поколение: верхний (up, $u$) и нижний (down, $d$) кварки. Из них состоят протоны ($uud$) и нейтроны ($udd$).
    • Второе поколение: очарованный (charm, $c$) и странный (strange, $s$) кварки.
    • Третье поколение: истинный (top, $t$) и прелестный (bottom, $b$) кварки.
    Кварки никогда не встречаются в свободном состоянии, а объединяются в группы, называемые адронами (например, протоны и нейтроны).
  • Лептоны: Не участвуют в сильном взаимодействии. Существует 6 типов лептонов:
    • Первое поколение: электрон ($e^-$) и электронное нейтрино ($v_e$).
    • Второе поколение: мюон ($\mu^-$) и мюонное нейтрино ($v_\mu$).
    • Третье поколение: тау-лептон ($\tau^-$) и тау-нейтрино ($v_\tau$).
    У каждого фермиона есть соответствующая античастица.
• Бозоны (частицы с целым спином):
  • Калибровочные бозоны: Являются переносчиками фундаментальных взаимодействий.
    • Фотон ($\gamma$): переносчик электромагнитного взаимодействия.
    • Глюоны ($g$): переносчики сильного взаимодействия, которое связывает кварки вместе.
    • $W^+$ , $W^-$ и $Z^0$ бозоны: переносчики слабого взаимодействия, ответственного за некоторые виды радиоактивного распада.
  • Скалярный бозон (Бозон Хиггса, $H^0$): Это частица, связанная с полем Хиггса. Через механизм Хиггса некоторые элементарные частицы (W- и Z-бозоны, кварки, заряженные лептоны) приобретают массу.

Что объясняет Стандартная модель:

Стандартная модель успешно объясняет огромное количество экспериментальных данных и явлений в мире элементарных частиц.

1. Состав вещества: Она объясняет, из чего состоит вся видимая материя во Вселенной — из кварков и лептонов. Протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, состоят из кварков, а электроны, вращающиеся вокруг ядер, являются лептонами.
2. Три из четырех фундаментальных взаимодействий: Модель описывает три фундаментальные силы природы:
   • Электромагнитное взаимодействие, которое управляет поведением заряженных частиц и отвечает за свет, электричество и магнетизм.
   • Слабое ядерное взаимодействие, которое вызывает радиоактивный распад и играет ключевую роль в процессах, происходящих на Солнце.
   • Сильное ядерное взаимодействие, которое связывает кварки внутри протонов и нейтронов и удерживает эти частицы вместе в атомном ядре, преодолевая электростатическое отталкивание протонов.
   Важным достижением является объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие.
3. Существование и свойства частиц: Модель предсказала существование многих частиц (например, $W$- и $Z$-бозонов, глюона, топ-кварка и бозона Хиггса) до того, как они были экспериментально обнаружены. Она с высокой точностью описывает их массы, времена жизни, типы распадов и другие свойства.

Несмотря на свой успех, Стандартная модель не является полной теорией всего. Она не включает гравитацию, не объясняет природу темной материи и темной энергии, не дает полного объяснения масс нейтрино и преобладания материи над антиматерией во Вселенной.

Ответ: Стандартная модель включает в себя фундаментальные частицы вещества (фермионы: 6 кварков и 6 лептонов, организованные в три поколения) и частицы-переносчики взаимодействий (бозоны: фотон, глюоны, W- и Z-бозоны), а также бозон Хиггса, который отвечает за наличие массы у некоторых частиц. Модель объясняет, из чего состоит вся обычная материя, и описывает три из четырех фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое и электромагнитное. Она с высокой точностью предсказывает результаты экспериментов в области физики элементарных частиц, но не включает гравитацию и не объясняет такие явления, как темная материя и темная энергия.

4. Запишите названия и свойства некоторых частиц и античастиц.

В физике элементарных частиц для каждой частицы существует соответствующая ей античастица. Античастица обладает той же массой, временем жизни и спином, что и частица, но противоположным по знаку электрическим зарядом и другими квантовыми числами (такими как лептонное и барионное числа).

При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция — они исчезают, превращаясь в другие частицы (например, в фотоны).

Электрон ($e^-$) — это фундаментальная частица, относящаяся к классу лептонов. Его античастица называется позитроном ($e^+$). Позитрон был первой предсказанной (Полем Дираком в 1928 г.) и первой открытой (Карлом Андерсоном в 1932 г.) античастицей.

• Масса: Массы электрона и позитрона одинаковы и равны $m_e \approx 9.109 \times 10^{-31}$ кг.
• Электрический заряд: Заряд электрона отрицателен и равен элементарному заряду $q_e = -e \approx -1.602 \times 10^{-19}$ Кл. Заряд позитрона положителен и равен $q_{e^+} = +e \approx +1.602 \times 10^{-19}$ Кл.
• Спин: Спин обеих частиц равен $1/2$.
• Лептонное число: Электрон имеет электронное лептонное число $L_e = +1$, а позитрон — $L_e = -1$.

Ответ: Электрон ($e^-$) и позитрон ($e^+$) — пара частица-античастица. Они имеют одинаковую массу и спин, но противоположные по знаку электрический заряд и лептонное число.

Протон ($p$) — это стабильная субатомная частица, входящая в состав атомных ядер. Протоны относятся к барионам. Античастица протона — антипротон ($\bar{p}$).

• Масса: Массы протона и антипротона одинаковы и равны $m_p \approx 1.672 \times 10^{-27}$ кг.
• Электрический заряд: Заряд протона положителен и равен $+e$. Заряд антипротона отрицателен и равен $-e$.
• Спин: Спин обеих частиц равен $1/2$.
• Барионное число: Протон имеет барионное число $B = +1$, а антипротон — $B = -1$.
• Состав: Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (uud), а антипротон — из двух анти-u-кварков и одного анти-d-кварка ($\bar{u}\bar{u}\bar{d}$).

Ответ: Протон ($p$) и антипротон ($\bar{p}$) — пара частица-античастица. Они имеют одинаковую массу и спин, но противоположные по знаку электрический заряд и барионное число.

Нейтрон ($n$) — это субатомная частица, также входящая в состав атомных ядер. Как и протон, нейтрон относится к барионам. Его античастица — антинейтрон ($\bar{n}$).

• Масса: Массы нейтрона и антинейтрона одинаковы и равны $m_n \approx 1.675 \times 10^{-27}$ кг.
• Электрический заряд: Обе частицы электрически нейтральны, их заряд равен 0.
• Спин: Спин обеих частиц равен $1/2$.
• Барионное число: Нейтрон имеет барионное число $B = +1$, а антинейтрон — $B = -1$.
• Магнитный момент: Несмотря на нулевой заряд, обе частицы имеют магнитный момент из-за своего кваркового состава. Магнитные моменты нейтрона и антинейтрона равны по величине, но противоположны по знаку.
• Состав: Нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков (udd), а антинейтрон — из одного анти-u-кварка и двух анти-d-кварков ($\bar{u}\bar{d}\bar{d}$).

Ответ: Нейтрон ($n$) и антинейтрон ($\bar{n}$) — пара частица-античастица. Они имеют одинаковую массу, спин и нулевой электрический заряд, но отличаются знаком барионного числа и магнитного момента.

Нейтрино ($\nu$) — это фундаментальная частица, лептон с очень малой массой и без электрического заряда. Существует три типа (поколения) нейтрино: электронное ($\nu_e$), мюонное ($\nu_\mu$) и тау-нейтрино ($\nu_\tau$). Каждому типу нейтрино соответствует своя античастица: электронное антинейтрино ($\bar{\nu}_e$), мюонное антинейтрино ($\bar{\nu}_\mu$) и тау-антинейтрино ($\bar{\nu}_\tau$).

• Масса: Массы нейтрино и соответствующего антинейтрино одинаковы и очень малы.
• Электрический заряд: Обе частицы электрически нейтральны (заряд равен 0).
• Спин: Спин обеих частиц равен $1/2$.
• Лептонное число: Каждый тип нейтрино и антинейтрино имеет свое лептонное число. Например, для электронного нейтрино $L_e = +1$, а для электронного антинейтрино $L_e = -1$.

Ответ: Нейтрино ($\nu$) и антинейтрино ($\bar{\nu}$) — это пары частица-античастица. Они имеют одинаковую (очень малую) массу, спин и нулевой заряд, но противоположные по знаку лептонные числа.

Некоторые частицы, такие как фотон ($\gamma$) или Z-бозон ($Z^0$), являются истинно нейтральными, то есть они совпадают со своими античастицами. Это возможно, так как все их зарядовые квантовые числа равны нулю.