Geekly articles weekly

نموذج جزيئات المبتدئين

"نحن نتساءل لماذا مجموعة من الموهوبين والمخلصين على استعداد لتكريس حياتهم لمطاردة مثل هذه الأشياء الصغيرة التي لا يمكنك حتى رؤيتها؟ في الواقع ، في دراسات فيزيائيي الجسيمات ، هناك فضول بشري ورغبة في معرفة كيف يعيش العالم "شون كارول

إذا كنت لا تزال تخاف من عبارة ميكانيكا الكم وما زلت لا تعرف ما هو النموذج القياسي ، مرحبًا بك في قط. في منشوري ، سأحاول شرح أساسيات العالم الكمي ، وكذلك فيزياء الجسيمات الأولية ، ببساطة ووضوح قدر الإمكان. سنحاول معرفة الاختلافات الرئيسية بين الفرميونات والبوزونات ، ولماذا تتمتع الكواركات بأسماء غريبة ، وأخيراً ، لماذا أراد الجميع العثور على بوزون هيجز.


من ماذا صنعنا نحن؟



حسنًا ، إذن ، نبدأ رحلتنا إلى العالم الصغير بسؤال بسيط: من ماذا تتكون الأشياء المحيطة بنا؟ يتكون عالمنا ، كمنزل ، من العديد من الطوب الصغير ، الذي يربط بطريقة خاصة ، يخلق شيئًا جديدًا ، ليس فقط في المظهر ، ولكن أيضًا في خصائصه. في الواقع ، إذا ألقيت نظرة فاحصة عليها ، فستجد أنه لا يوجد العديد من الأنواع المختلفة من الكتل ، فقط في كل مرة تتواصل فيها مع بعضها البعض بطرق مختلفة ، وتشكل أشكالًا وظواهر جديدة. كل كتلة هي جسيم أولي غير قابل للتجزئة ، والذي سيتم مناقشته في قصتي.

على سبيل المثال ، خذ بعض المواد ، فليكن العنصر الثاني في الجدول الدوري ، الغاز الخامل ، الهيليوم. مثل المواد الأخرى في الكون ، يتكون الهيليوم من جزيئات تتشكل بدورها عن طريق الروابط بين الذرات. لكن في هذه الحالة ، بالنسبة لنا ، الهيليوم خاص قليلاً ، لأنه يتكون من ذرة واحدة فقط.



مما تتكون الذرة؟


تتكون ذرة الهيليوم بدورها من نيوترون وبروتونين يتألفان من النواة الذرية ، يدور حولها إلكترونان. الشيء الأكثر إثارة للاهتمام هو أن الإلكترون فقط غير قابل للتجزئة هنا .

لحظة مثيرة للاهتمام في العالم الكوانتي.

و أصغر كتلة من الجسيمات الأولية، و أكثر مساحة ما يلزم. ولهذا السبب ، تشغل الإلكترونات ، وهي أخف 2000 مرة من البروتون ، مساحة أكبر بكثير مقارنة بنواة الذرة.


تنتمي النيوترونات والبروتونات إلى مجموعة ما يسمى بالهادرونات (الجسيمات التي تخضع لتفاعل قوي) ، أو ، بشكل أكثر دقة ، الباريونات .

يمكن تقسيم الحضارات إلى مجموعات
  • الباريونات التي تتكون من ثلاثة كواركات
  • Mesons التي تتكون من زوج: الجسيمات المضادة للجسيمات


النيوترون ، كما يوحي اسمه ، مشحون بشكل محايد ، ويمكن تقسيمه إلى جزأين سفليين وكوارك علوي واحد. ينقسم البروتون ، وهو جسيم موجب الشحنة ، إلى كوارك سفلي وكواركين علويين.



نعم ، نعم ، أنا لا أمزح ، يطلق عليهم حقًا اسم علوي وسفلي. يبدو أننا إذا اكتشفنا الكواركات العلوية والسفلية ، وحتى الإلكترون ، فيمكننا استخدامها لوصف الكون بأكمله. لكن هذا البيان سيكون بعيدًا جدًا عن الحقيقة.

المشكلة الرئيسية هي أن الجسيمات يجب أن تتفاعل مع بعضها بطريقة أو بأخرى. إذا كان العالم يتألف فقط من هذا الثالوث (النيوترون والبروتون والإلكترون) ، فإن الجزيئات ستطير ببساطة عبر المساحات الشاسعة للفضاء ولن تتجمع أبدًا في تكوينات أكبر ، مثل الهدرونات.

الفرميونات والبوسونات


منذ وقت طويل ، توصل العلماء إلى شكل مناسب وموجز لتمثيل الجسيمات الأولية ، يسمى النموذج القياسي. اتضح أن جميع الجسيمات الأولية تنقسم إلى فرميونات ، تتكون منها جميع المواد ، والبوزونات التي تنقل أنواعًا مختلفة من التفاعلات بين الفرميونات.

الفرق بين هذه المجموعات واضح للغاية. الحقيقة هي أن الفرميونات تحتاج إلى بعض المساحة للبقاء على قيد الحياة وفقًا لقوانين العالم الكمي ، وبالنسبة للبوزونات لا توجد حاجة تقريبًا إلى مساحة حرة.

الفرميونات

مجموعة من الفرميونات ، كما ذكرنا سابقًا ، تخلق مادة مرئية حولنا. كل ما نراه ، خلقه الفرميونات. تنقسم الفرميونات إلى كواركات ، تتفاعل بقوة مع بعضها البعض وتغلق داخل جزيئات أكثر تعقيدًا مثل الهدرونات واللبتونات ، والتي توجد بحرية في الفضاء بغض النظر عن نظيراتها. تنقسم

الكواركات إلى مجموعتين.
  • النوع العلوي. الكواركات من النوع العلوي ، برسوم +2 \ 3 ، تشمل: الكواركات العلوية والسحرة والحقيقية
  • النوع السفلي. الكواركات من النوع السفلي ، برسوم -1 \ 3 ، تشمل: الكواركات السفلية والغريبة والجميلة
صحيح وجميل هما أكبر الكواركات ، والأعلى والأسفل هما الأصغر. لماذا أعطيت الكواركات مثل هذه الأسماء غير العادية ، والأكثر صحة ، "الروائح" ، لا تزال محل جدل للعلماء. تنقسم

اللبتونات أيضًا إلى مجموعتين.
  • المجموعة الأولى ، بشحنة "-1" ، تشمل: إلكترون ، وميون (جسيم أثقل) وجزيء تاو (الأضخم)
  • المجموعة الثانية ، بشحنة محايدة ، تحتوي على: إلكترون نيوترينو وميون نيوترينو وتاو نيوترينو
النيوترينو - هو جزيء صغير من المادة ، يكاد يكون من المستحيل اكتشافه. شحنتها دائما 0.

السؤال الذي يطرح نفسه هو ما إذا كان علماء الفيزياء سيجدون بضعة أجيال أخرى من الجسيمات التي ستكون أكثر ضخامة مقارنة بالجسيمات السابقة. من الصعب الإجابة ، لكن يعتقد المنظرون أن أجيال اللبتونات والكواركات قد استنفدت من قبل ثلاثة.

لا تجد أي تشابه؟ هل ينقسم كل من الكواركات واللبتونات إلى مجموعتين يختلف كل منهما عن الآخر بتكلفة لكل وحدة؟ ولكن أكثر عن ذلك لاحقا ...

بوزون

وبدونها ، تطير الفرميونات في مجرى مستمر عبر الكون. لكن عند تبادل البوزونات ، تخبر الفرميونات بعضها البعض عن نوع من التفاعل. البوزونات نفسها لا تتفاعل عمليا مع بعضها البعض.
في الواقع ، لا تزال بعض البوزونات تتفاعل مع بعضها البعض ، ولكن سيتم مناقشة ذلك بمزيد من التفصيل في المقالات التالية حول مشاكل العالم الصغير.

يحدث التفاعل الذي تنتقله البوزونات:

  • الكهرومغناطيسية والجسيمات هي الفوتونات. بمساعدة هذه الجسيمات عديمة الكتلة ، ينتقل الضوء.
  • نووي قوي ، الجسيمات هي gluons. وبمساعدتهم ، لا تتحلل الكواركات من نواة الذرة إلى جسيمات فردية.
  • ضعف الجزيئات النووية - بوزونات W و Z. بمساعدتهم ، تنتشر الفرميونات بالكتلة والطاقة ويمكن أن تتحول إلى بعضها البعض.
  • الجاذبية ، والجسيمات هي gravitons . ضعيفة للغاية قوة العالم الصغير. يصبح مرئيًا فقط على الأجسام فائقة الكتلة.


حجز تفاعل الجاذبية.
لم يتم تأكيد وجود الجرافيتون بعد تجريبيا. توجد فقط في شكل نسخة نظرية. في النموذج القياسي ، في معظم الحالات لا يتم أخذها بعين الاعتبار.


هذا كل شيء ، يتم تجميع النموذج القياسي.





بدأت المشاكل للتو



على الرغم من التمثيل الجميل للغاية للجسيمات في الرسم البياني ، يبقى سؤالان. من أين تحصل الجزيئات على كتلتها وما هو بوزون هيجز الذي يبرز من بقية البوزونات.

من أجل فهم فكرة استخدام بوزون هيجز ، نحتاج إلى التحول إلى نظرية المجال الكمي. بعبارات بسيطة ، يمكن القول أن العالم كله ، الكون بأكمله ، لا يتكون من أصغر الجسيمات ، ولكن من العديد من المجالات المختلفة: الغلوون ، الكوارك ، الإلكتروني ، الكهرومغناطيسي ، إلخ. في جميع هذه المجالات ، تحدث تقلبات طفيفة باستمرار. لكننا ندرك أن أقوىها كجسيمات أولية. وهذه الأطروحة مثيرة للجدل للغاية. من وجهة نظر ازدواجية جسيم الموجة ، فإن نفس الكائن في العالم الصغير في مواقف مختلفة يتصرف إما كموجة ، أو كجسيم أولي ، فإنه يعتمد فقط على الطريقة الأكثر ملاءمة للفيزيائي الذي يراقب العملية لنمذجة الوضع.

حقل هيجز

اتضح أن هناك ما يسمى حقل هيجز ، الذي لا تريد قيمته المتوسطة أن تكون صفراً. نتيجة لذلك ، يحاول هذا الحقل أخذ بعض القيمة الثابتة غير الصفرية في الكون بأكمله. الحقل هو خلفية منتشرة في كل مكان وثابتة ، نتيجة للتقلبات القوية التي تظهر فيها بوزون هيجز.
وبفضل مجال هيجز ، تمنح الجسيمات بالكتلة.
تعتمد كتلة الجسيم الأولي على مدى تفاعله مع حقل هيجز ، الذي يحلق باستمرار داخله.
وبسبب Higgs Boson على وجه التحديد ، أو بالأحرى بسبب مجالها ، فإن النموذج القياسي يحتوي على العديد من مجموعات الجسيمات المتشابهة. أجبر حقل هيجز على عمل العديد من الجسيمات الإضافية ، مثل النيوترينوات.

ملخص



ما قلته لك هو أكثر المفاهيم سطحية حول طبيعة النموذج القياسي ولماذا نحتاج إلى بوزون هيجز. لا يزال بعض العلماء يعمقون في الأمل في أن الجسيم الذي تم العثور عليه في عام 2012 والمماثل لـ Higgs Boson في LHC كان ببساطة خطأ إحصائيًا. بعد كل شيء ، ينتهك حقل هيجز العديد من التماثلات الجميلة للطبيعة ، مما يجعل حسابات الفيزيائيين أكثر إرباكًا.
يعتقد البعض أن النموذج القياسي يعيش سنواته الأخيرة بسبب نقصه. لكن هذا لم يثبت تجريبياً ، ويظل النموذج القياسي للجسيمات الأولية هو النموذج الحالي لعبقرية الفكر البشري.

Source: https://habr.com/ru/post/ar382753/

More articles:


All Articles