Элементарные частицы и структура Вселенной

БРЯНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени академика  И.Г. Петровского

Факультет «Финансово-экономический»

Специальность «Финансы и кредит»  группа 16с. 
 
 
 

   
 
 

РЕФЕРАТ

Тема  «Элементарные частицы и структура  Вселенной»

Студент: Стёпина Елена Алексеевна    

Научный руководитель: профессор ПРОСЯННИКОВ  Е.В. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                                        Брянск 2011

-2-

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ--------------------------------------------------------------------------- 3

1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
1. Определение элементарных частиц и их виды---------------- 4
2. Свойства элементарных частиц----------------------------------- 13
3. Взаимодействия элементарных частиц-------------------------- 16
4. Практическое применение элементарных частиц------------  18
2. СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ
1. Определение вселенной-----------------------------------------------  19
2. Расширяющаяся Вселенная------------------------------------------- 21
3. Концепция «Большого взрыва»-------------------------------------  24
4. Черные дыры------------------------------------------------------------  27
5. Структурная организация Вселенной------------------------------  29

ЗАКЛЮЧЕНИЕ---------------------------------------------------------------------  32

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ-------------------------------  34 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

-3-

ВВЕДЕНИЕ

    Представленная работа посвящена теме "Элементарные частицы и структура Вселенной".

    Проблема данного исследования носит актуальный характер в современных условиях. Об этом свидетельствует частое изучение поднятых вопросов.

     Тема "Элементарные частицы и структура Вселенной" изучается на стыке сразу нескольких взаимосвязанных дисциплин.

     Актуальность настоящей работы обусловлена, с одной стороны, большим интересом к теме "Элементарные частицы и структура Вселенной" в Теоретическое значение изучения проблемы "Элементарные частицы и структура Вселенной" заключается в том, что избранная для рассмотрения проблематика находится на стыке сразу нескольких научных дисциплин.

    Объектом данного исследования является анализ условий "Элементарные частицы и структура Вселенной".

     При этом предметом исследования является рассмотрение отдельных вопросов, сформулированных в качестве задач данного исследования.

     Целью исследования является изучение темы "Элементарные частицы и структура Вселенной" с точки зрения новейших отечественных и зарубежных исследований по сходной проблематике.

    В рамках достижения поставленной цели автором были поставлены и решения следующие задачи:

  1. Изучить теоретические аспекты  и выявить природу "Элементарные частицы и структура Вселенной";

  2. Сказать об актуальности проблемы "Элементарные частицы и структура  Вселенной" в современных условиях.  

-4-

Таким образом, актуальность данной проблемы определила выбор темы работы "Элементарные частицы и структура Вселенной", круг вопросов и логическую схему ее построения.  

1. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ  ЧАСТИЦЫ

1. Определение элементарных частиц и их виды

  К физике атомного ядра тесно прилегает физика элементарных частиц. Эта область  современной науки базируется на квантовых представлениях и в своем развитии всё дальше проникает в глубину материи, открывая загадочный мир ее первооснов. В физике элементарных частиц чрезвычайно велика роль теории. В силу невозможности прямого наблюдения таких материальных объектов их образы ассоциируются с математическими уравнениями, с наложенными на них запрещающими и разрешающими правилами.

  По определению  элементарные частицы – это первичные, неразложимые образования, из которых, по предположению, состоит вся материя. На самом же деле этот термин употребляется в более широком смысле – для обозначения обширной группы микрочастиц материи, структурно не объединенных в ядра и атомы. Большинство объектов исследования физики элементарных частиц не отвечают строгому определению элементарности, поскольку представляют собой составные системы. Поэтому частицы, удовлетворяющие этому требованию, принято называть истинно элементарными. (Вайнберг С. «Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной» – М.: Наука, 1981.)

  Первой  элементарной частицей, открытой в процессе изучения микромира еще в конце XIX в., был электрон. Следующим был открыт протон (1919), затем пришла очередь нейтрона, открытого в 1932 г.  

 -5-

 Существование позитрона теоретически было предсказано П. Дираком в 1931 г., и в 1932 г. этот положительно заряженный «двойник» электрона был обнаружен в космических лучах Карлом Андерсоном. Предположение о существовании в природе нейтрино было выдвинуто В. Паули в 1930 г., а экспериментально оно было обнаружено только в 1953 г. В составе космических лучей в 1936 г. были найдены мю-мезоны (мюоны) – частицы обоих знаков электрического заряда с массой около 200 масс электрона. Во всем остальном свойства мюонов очень близки к свойствам электрона и позитрона. Также в космических лучах в 1947 г. были открыты положительный и отрицательный пи-мезоны, существование которых было предсказано японским физиком Хидэки Юкавой в 1935 г. В дальнейшем выяснилось, что существует также нейтральный пи-мезон.

Рис.1. Схема классификации элементарных частиц.

     В настоящее время в основе современной классификации элементарных частиц лежит их  деление  на  два  класса :  сильно  взаимодействующих (адроны)  и  слабо взаимодействующих (лептоны)  частиц. Адроны 

-6-

делятся  также  на  мезоны  и  барионы,  а  последние, в свою очередь, на нуклоны (нейтроны и протоны) и гипероны (λ, Σ, Ξ, Ω). Название «гипероны» происходит  от  греческого «гипер» -  выше,  так  как  они  тяжелее протона, «барионы» - от греческого «барис» тяжелый. К лептонам относятся электроны, мюоны  и  нейтрино.  Барионы (нуклоны,  гипероны,  барионные  резонансы - короткоживущие  частицы)  при  любых  реакциях могут  превращаться  в  протоны  или  из них получаться. Разность между числом барионов и антибарионов в системе называется барионным  числом.  В  теории  элементарных  частиц  существует  закон  сохранения барионного числа в любом процессе. Именно этим законом обусловлена невозможность аннигиляции протона и электрона в обычных условиях, потому что протон — это барион, а  электрон —  лептон.  Закон сохранения  барионных чисел обеспечивает  также стабильность протонов.  С точки зрения  квантовой статистики,  частицы с разными (целыми  и полуцелыми)  спинами могут также разделяться на  фермионы (статистика  Ферми)  с полуцелым спином (1/2):  электрон,  нейтрон,  мюон,  протон,  нейтрон,  гиперон),  бозоны (статистика  Бозе)  с  целым (0,1)  спином:  пион (π-мезон),  каон (K-мезон),  фотон Фермионы, все без исключения, возникают или аннигилируют парами.             С другой стороны бозоны могут рождаться или поглощаться по одному и группами по несколько частиц. ( Горбачев В.В. Концепции современного естествознания М., МГУП, ч1, 2003).

В начале 50-х  гг. была открыта большая группа частиц с весьма необычными свойствами, что побудило назвать их «странными». Первые частицы этой группы были обнаружены в космических лучах, это К-мезоны обоих знаков и L-гиперон (лямбда-гиперон). Отметим, что мезоны получили свое название от греч. «средний, промежуточный» в силу того, что массы первых открытых частиц этого типа (пи-мезоны, мю-мезоны) имеют массу, промежуточную

-7-

между массой нуклона  и электрона. Гипероны же ведут свое название от греч. «сверх, выше», поскольку  их массы превышают массу нуклона. Последующие открытия странных частиц делались уже на ускорителях заряженных частиц, которые стали основным инструментом изучения элементарных частиц.

   Так были открыты антипротон, антинейтрон и ряд гиперонов. В 60-е гг. было обнаружено значительное число частиц с крайне малым временем жизни, которые получили название резонансов. Как выяснилось, к резонансам относится большинство известных элементарных частиц. В середине 70-х гг. было открыто новое семейство элементарных частиц, получивших романтическое название «очарованных», а в начале 80-х – семейства «красивых» частиц и так называемых промежуточных векторных бозонов. Открытие этих частиц явилось блестящим подтверждением теории, основанной на кварковой модели элементарных частиц, которая предсказала существование новых частиц задолго до их обнаружения. . (Вайнберг С. «Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной» – М.: Наука, 1981.)

     В микромире каждой частице соответствует античастица. В некоторых случаях частица полностью тождественна со своей античастицей. В таком случае частицу называют истинно нейтральной. К ним относятся фотон γ, π⁰-мезон, η⁰-мезон, J∕ ψ-мезон, ипсилон-частица. Если же частица и античастица не совпадают, то массы, спины, изотопические спины, времена жизни у частицы и античастицы одинаковы, а прочие характеристики одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку. Так, электрон и протон отличаются от позитрона и антипротона прежде всего знаком электрического заряда. Нейтрон и антинейтрон различаются знаком магнитного момента. Лептонные заряды у лептонов и атилептонов, барионные у барионов и антибарионов различаются по знаку. (В.С.Барашенков «Вселенная в электроне», М.: Дет. Лит., 1988).

-8-

    В зависимости от времени жизни элементарные частицы разделяют на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

   Стабильными частицами являются электрон (его время жизни τ > 10²¹ лет), протон (τ > 10³¹ лет), нейтрино и фотон. Квазистабильными считаются частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, их время жизни τ > 10^–20 c. Резонансы – частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия, их время жизни находится в интервале 10 ^{– 22} ÷10 ^{– 24} с. (Горбачев В.В. Концепции современного естествознания М., МГУП, ч1, 2003).

Кварки

    К настоящему времени установлено существование пяти ароматов кварков: u, d, s, c, b. Неоднократно поступали сообщения о об открытии t-кварка , но окончательно его существование не установлено. Массы кварков: m_u = 5 МэВ, m_d = МэВ, m_s = 150 МэВ, m_c = 1,3 ГэВ, m_b = 5 ГэВ, m_t= > 22 ГэВ. Эти данные – оценочные и грубо ориентировочные, так как кварки в свободном состоянии не наблюдались и их нельзя было исследовать прямыми методами.

     Все кварки имеют спин ¹/₂ и барионный заряд ⅓. Кварки u, с, t, называют верхними, так как они имеют заряд +⅔, а остальные кварки u, s, b с электрическим зарядом -⅓ – нижними. Кварк s является носителем странности, с – очарования, b – красоты (прелести). Странность была обнаружена в 1953 году при открытии К-мезонов и гиперонов. Они рождались за счёт сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10^-23 с, а времена жизни оказались порядка 10^-8-10^-10с. Было совершенно непонятно, почему они живут так долго, почему не распадаются за счёт сильного взаимодействия, в результате которого они возникают? Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц  

-9-

из-за того, что  для их проявления необходимо присутствие  двух странных частиц. По той же причине  запрещено рождение

одиночных странных частиц. ( Барашенков В.С. Кварки, протоны  и Вселенная М. Знание 1987)

     В основе запрета какого-либо процесса лежит некоторый закон сохранения. Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М.Гелл-Манн и К.Нишиджима ввели новое квантовое число S, суммарное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях. Его и назвали странностью.

     Очарованный кварк – это кварк с квантовым числом С, которое у всех остальных равно нулю, равным единице. Частицы семейств χ и ψ представляют собой различные уровни(состояния) системы сс^~. Эта система названа чармонием, по аналогии с системой электрон – позитрон, названной позитронием. Поскольку очарование кварка и антикварка в чармонии в сумме даёт ноль, говорят, что эта система обладает скрытым очарованием. В 1976 году были предсказаны и открыты частицы с явным очарованием.

     Красота – это разность между числами b-кварков и антикварков b^~. Красота сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях и может нарушаться при слабых.