Матан/Элементарные частицы

Элементарные частицы — это тот самый расовый конструктор LEGO, из которого строятся все объекты нашей Вселенной. Делятся на фермионы (частицы вещества) и бозоны (переносчики взаимодействия). Как понятно, увидеть их человеческому, да и любому другому невооруженному глазу не дано — уж слишком они мелкие. Правда, увидеть можно отдельный фотон (он бозон). Собственно, чего пиздеть: это единственная на всем свете частица, которую мы можем увидеть, не используя спецприборы.
И, наконец, на морском берегу, разбивающем волны,
Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет;
Видеть, однако, нельзя, как влага на нем оседает,
Да и не видно того, как она исчезает от зноя.
Значит, дробится вода на такие мельчайшие части,
Что недоступны они совершенно для нашего глаза.
Дело было так:
Следует упомянуть одну важную вещь, про которую не рассказывают в школе.
Современная теория элементарных частиц называется «Стандартная модель» и выглядит следующим охуенным образом:
Во Вселенной существует четыре фундаментальных взаимодействия (поля):
И блиать, как их спаять вместе, никто нихуя не знает. Не задавая вообще вопроса, а возможно ли это? Собственно, это и не нужно никому, потому что скорей всего все поля есть одно, как когда-то множество самых разнообразных сил (натяжения нити, сжатия пружины, столкновения тел, трения, сопротивления воздуха, сила взрыва и т. д.) оказались одним электромагнитным взаимодействием. А недавно слабое и электромагнитное оказались одним. 
А элементарные частицы делятся на две группы:
Бозоны: фотон — для электромагнитного, глюон и мезоны — сильного (глюон отвечает за сильное взаимодействие между кварками, мезоны — между нуклонами), W- и Z-бозоны — для слабого, и предполагается гравитон — для гравитации.
Фермионы: кварки, из которых состоят ядра (протоны-нейтроны) и лептоны (электрон и его юродивые собратья).
Сказать, что бозоны — это волны, а фермионы — частицы материи — нельзя. Так как на самом деле, все эти частицы являются одновременно и волной, и частицей (см. Двухщелевой опыт ). Кроме того, как и для любой системы, появившейся единовременно, а не эволюционном путем, ей характерно отсутствие явной закономерности в свойствах составных частей — например, некоторые бозоны имеют электрический заряд (переносимый фотонами — бозонами другого поля) и т. п.
Мнение ГСМнутого: а по существу никто не знает точно, это такой фетиш у великих думальщиков — придумать хуйню, чтобы простой обыватель не мог заподозрить простоту их изречений и в дальнейшем не осудил их: мол, «Я и сам мог такую хуйню придумать».
Теория струн предполагает, что последней ступенькой являются, ВНЕЗАПНО, одномерные струны, точнее, многомерные браны.
Ну и существуют альтернативные мнения насчёт всей этой вашей физики. Подробности изложены тут и тут. Предлагаемая авторами теория взамен существующей не бесспорна (а точнее заведомо абсурдна — из-за ложных предпосылок, лежащих в ее основе, и до смешного наивного детского восприятия микро-мира как маленькой аналогии среднего мира), но факты, судя по всему, в этих статьях изложены стоящие, и вопросы к стандартной модели возникают нешуточные.
Единственный способ посмотреть, не состоит ли элементарная частица из еще более элементарных, и изучить ее характеристики — столкнуть на огромной скорости эти элементарные частицы. Ученые с середины прошлого века используют для этого коллайдеры, в которых сталкивают разные частицы и изучают то, что от них останется. Наикрутейший из четырех самых крутых в мире коллайдеров — Большой адронный коллайдер.
Никакой особой опасности элементарные частицы для человека не представляют (он сам из них состоит!) — нужно только правильно дозировать их получение, а также такой параметр частицы, как её энергия. Например, на долю космонавтов выпадает немало глюков и вспышек в глазах: когда (в космосе) космонавт закрывает глаза, то он периодически видит «вспышки» — это элементарные частицы (от которых уже не защищает атмосфера) начинают пролетать через органическую массу во всех направлениях, в том числе — не только через половые органы, но и через глаза. Вспышки в глазах — это так называемое излучение Вавилова-Черенкова от проносящихся с сверхсветовой скоростью (скорость света зависит от среды, скорость фотона в космическом пространстве выше, чем в человеке) в жидкой среде глазного яблока этих самых космических летунов-частиц. Читающий этот абзац может подумать, что яркие точечки, порой вспыхивающие у него в глазах, и есть те самые элементарные частицы — ан нет, сетчатка глаза не способна преобразовывать ионизирующие излучения в изображение, даже в пределах одного пикселя.
Это реальный случай. Пруф на педивикии.
сотрудник протвинского Института физики высоких энергий]], участвовал в работах на крупнейшем отечественном ускорителе — синхротроне У-70, разгоняющем протоны в полуторакилометровой кольцевой вакуумной трубе до гигантской энергии в 70 миллиардов электрон-вольт.
…Потом выяснилось, что во время предыдущего эксперимента высокая интенсивность пучка была не нужна, поэтому автоматическую блокировку двери отключили. Да так и не включили… Табло на двери не светилось из-за банальной перегоревшей лампочки. Кроме того, Бугорский, позвонив на пульт, сказал, что будет в канале через 5 минут, а прибежал, видимо, немного раньше, чем оператор снял пучок. Не увидев светящегося табло и легко открыв дверь в канал, Бугорский испытал какую-то легкую тень сомнения, но прошел к установке. Он наклонился к приборам, и вот тогда голова его пересекла невидимую трассу! Пучок ускорителя — это не непрерывная струя, а последовательность «пакетов», или «импульсов», в каждом из которых количество протонов измеряется величиной порядка 10 в двенадцатой степени (миллион миллионов «штук»).
…Вот скупые строчки из официальной «истории болезни»: «Интенсивный пучок протонов высокой энергии поперечным размером 2 х 3 мм прошел по траектории : затылочная область головы — медиобазальные отделы левой височной области — пирамида левой височной кости — костный лабиринт среднего уха — барабанная полость — челюстная ямка — ткани левого крыла носа. Радиационная доза на входе — 200 000 рентген, на выходе больше за счет рассеяния на материале — 300 000 рентген».
…Но, видимо, Провидение в последний момент решило пощадить человека, и «провело» пучок по единственно(?) возможной линии, не пересекавшей жизненно важных мозговых центров и сосудов. Боли практически не было. Как специалист, выпускник престижного МИФИ, Бугорский понимал, что «влип», но машинально доделал свою работу, записал факт посещения канала в журнал (порядок есть порядок), и никому ничего не сказав, стал наблюдать над собой в тревожных предчувствиях. Предчувствия переросли в целый ряд неприятных симптомов, левая сторона головы стала распухать, и после тревожной ночи Анатолий предстал перед врачами и дозиметристами. Те сначала не поверили рассказу, а потом пришли в ужас. Еще бы — случилось ЧП вселенского, небывалого на ускорителях масштаба! Анатолия тут же увезли в Москву, в специализированную 6-ю больницу Минсредмаша (ныне — Минатома РФ).
…Первое время Бугорский лежал в реанимационном отделении. Мало кто из медиков верил, что с такой «дыркой» и с такой дозой он выживет. Им занимались лучшие радиологи страны, в том числе известные ученые В. Н. Петушков и А. К. Гуськова (последняя, напомню, возглавила лечение всех поступавших из Чернобыля).
…Сейчас лишь округлые шрамы на голове Бугорского (ямка на месте левой ноздри и такая же на затылке) показывают место пучкового удара. Конечно, сказать, что никаких последствий нет, было бы большим преувеличением. Полностью потерян слух на левое ухо, лишь остался какой-то непрекращающийся малоприятный внутренний звон. Был период, когда участились эпилептические приступы, даже с потерей сознания (к счастью, во всех случаях — дома или на работе, когда могли помочь), потом «отпускало», чтобы вновь возвратиться. Полной психоневралгической картины и тем более прогнозов врачи дать не могут. Но интеллектуальные способности практически не пострадали, лишь утомляемость от умственной работы заметно возросла.
С этим частицами каждый сталкивается постоянно.
Это относительно (по мерками частиц) долгоживущие частицы (~2 мкс) — лептоны второго поколения, ранее именовавшиеся мю-мезонами (ошибочно), которые постоянно рождаются в верхних слоях атмосферы. Космические лучи — в основном, протоны, которые обладают энергиями на несколько порядков выше, чем предел в Самом Большом Ускорителе — постоянно попадают в атмосферу из космоса и тут же долбятся о протоны, нейтроны, электроны… обо все, что там есть, им все равно, и рождают <del>лулзы</del> вторичные частицы совершенно разнообразных видов (каскады) — начальная энергия такова, что в конце их будет очень много (ШАЛ, широкий атмосферный ливень).
Однако (к сожалению!), мы практически этих частиц не видим — они быстро теряют свою энергию, так как почти все хорошо взаимодействуют с частицами атмосферы. Но некоторые (мюоны) все-таки успешно добираются до нас. Это объяснятся тем, что они: а) имеют высокую энергию; б) в сильном взаимодействии не участвуют, только в электромагнитном и слабом — и почти все долетают и успешно пронизывают нас насквозь, а которым все же повезло — устраивают маленькие каскады внутри.
Тем не менее, они не проходят далее десятков метров грунта, потому как постепенно теряют свою энергию на ионизационное излучение.
Поток мюонов на уровне моря — порядка одной частицы на квадратный сантиметр в минуту, так что сквозь читающего данные строки успело пройти несколько десятков таких частиц, пока он пытался что-либо сообразить. В общем, плавайте поездами аэрофлота.
С мюонами связан популярный физический лулз. Теоретики придумали мезоны (частички, переносящие <del>слабые</del> сильные взаимодействия (слабые взаимодействия переносят промежуточные W и Z бозоны)). Экспериментаторы их нашли, и сразу две. Одну назвали мю-мезон, а другую — пи-мезон. Через какое-то время Теоретики поняли, что мю-мезон ни разу не мезон, и мягко намекнули, что его стоит переименовать в мю-лептон, сокращенно — мюон. Клево, сказали экспериментаторы, и переименовали пи-мезон в пион, который таки мезон (кварк-антикварк), в отличие от мюона.
Кроме того, с помощью мюонов возможен холодный термоядерный синтез, но энергетической выгоды не получится. Точнее, есть надежда, что когда-то получится, но пока в этом направлении всё заметно хуже, чем в старых добрых токамаках, а даже они пока электричества не дают и в ближайшее время не планируют. Дело в том, что отрицательный мюон успешно косплеит электрон, но из-за нехилой массы льнёт к самому ядру, нейтрализуя его заряд. Два ядра успешно сливаются, выделяя энергию синтеза, да вот незадача — живёт наш супер-катализатор всего-то ничего, а получается значительными усилиями.
<del>Эпичная</del> Хтоническая по меркам микромира хренобобина — в <del>тысячу</del> в сто тридцать три раза тяжелее протона. И для его получения нужны энергии порядка нескольких тераэлектронвольт, которые и были достигнуты в этом вашем Большом Адронном Коллайдере. Благодаря журнализдам о Бозоне Хиггса теперь знает каждый школьник, хотя на коллайдере занимаются далеко не только бозоном. В 2012 году его существование вроде как подтвердили на этом вашем коллайдере.
Этот бозон отвечает за появление у элементарных частиц массы.
Масса — это мера инертности тела, то есть показатель количества силы, необходимой для остановки движущегося тела (как там было в учебниках: медленно ползущий поезд человек остановить не может, а летящий теннисный мячик отбить — вполне). Пока считается, что частицы с массой находятся в так называемом поле Хиггса, где летают бозоны Хиггса и мешают частицам разгоняться до скорости света (фотон имеет нулевую массу покоя и на него это не действует).
Подробнее про Хиггса и его бозон: тут. Здесь можно послушать доходчивую лекцию для чайников (англ).
Нейтрино — оно на то и нейтрино, так как практически ни с чем не взаимодействует, и все остальное тоже с ним взаимодействовать не хочет, а участвует оно только в слабом взаимодействии. Обладает большой проникающей способностью. Так, например, нейтрино может запросто пронзить насквозь земной шар и улететь путешествовать дальше. Плотность потока этих частиц такова, что можно с уверенностью сказать — прямо в этот момент через твою тушку пролетело около 10 сих частиц. Так, ученые давно подозревали, что внутри (в ядре) Солнца, где находится его центральный реактор, должно рождаться много нейтрино. Детектор состоял из большого бассейна перхлорэтилена в глубокой шахте. За несколько месяцев в нем застряло всего ~30 нейтрино!
Алсо у Митчела Уилсона есть об этом роман, хотя это и не лучшее его произведение.
Интересно использование этих частичек в фантастике.
Следует отметить, что не исключен вариант, при котором подавляюще бОльшая часть массы в нашей Вселенной приходится именно на долю нейтрино, а не на какие-нибудь там протоны-нейтроны, поскольку они способны хранить энергию, никому ее не отдавая. Такие вот дела.
Нейтрон имеет относительно «нейтральное» название, но, несмотря на это, встреча с ним не рекомендуется. Состоит из набора трех кварков (ddu) и постоянно меняется ими с протонами и другими нейтронами. Будучи лишенным такой возможности, распадается до протона примерно за 900 секунд. Влепившись в атом любого элемента, нейтрон может попасть в ядро и с нехилой вероятностью сделать его радиоактивным — тем-то, сука, и опасен: от облучения нейтронами твое собственное мясо, Анонимус, превращается в радиоактивные изотопы! Но от них можно защититься водой, слоем парафина или полиэтиленом. Такие дела.
Военные и секьюрити всегда хотят знать, что вы там везете через таможню. К (их) сожалению, «воротца», через которые нужно проходить, сняв весь пирсинг и зубные штифты, могут обнаружить только металлические предметы, а по изображению содержимого чемоданчика на экране трудно отличить фаллоимитатор от тринитротолуоловой шашки.
Поэтому среди военных периодически бродит мысль — использовать юркие нейтрончики для более надежной подсветки поцыэнтов . Идейка — в резонансном рассеянии быстрых нейтронов на азоте, которого в разной взрывчатке почему-то много, а в «хорошем» багаже мало (в безобидном макетном ноже его тоже мало, надо сказать). Разумеется, это совершенно безопасный для здоровья метод. Но вот в зонах боевых действий для поиска бескорпусных мин таки используется, но там причин испортить здоровье — и без источника быстрых нейтронов хватает. Алсо существует СТОЛЬКО безазотных взрывчатых веществ, что даже тотальное применение метода всего лишь заставит потенциальных бомберменов на недельку отсрочить хитрый план, синтезируя свежачок.
Надо сказать, что кварки — это самые доставляющие элементарные частицы. Дело в том, что кварки различаются между собой не как-нибудь, а «ароматами», которых имеется в наличии шесть: «верхний (up)» — «нижний (down)», «очарованный (charm)» — «странный (strange)», «истинный (true, top)» — «прелестный (beauty, bottom)». У первых — заряд по 2/3, у вторых — по минус 1/3. Представьте себе «нижний» аромат. Из этих шести ароматов первые пять вступают друг с другом во взаимодействие, образуя сложные субатомные частицы — адроны (нейтроны, протоны, мезоны, гипероны и прочие). Шестой, ТруЪ кварк, является форэваэлоуном — он живет слишком недолго, чтобы вступить с кем-нибудь в сильное взаимодействие.
Кроме того, в этой самой Стандартной модели постулируется, что кварки обладают внутренней характеристикой, именуемой «цвет», которая отвечает за сильное взаимодействие. Что характерно, цветов у кварков ровно три — красный, зеленый и синий, а с учетом антикварков шесть — антикрасный, антизеленый и антисиний. И при смешении получается бесцветная, но «видимая» в этом лучшем из миров частица. Сами же кварки, хоть обладают «цветом» и «запахом», в свободном состоянии "непосредственно" зарегистрированы быть не могут — судят о них по траекториям порождаемых при столкновении частиц, которые и регистрируются.
С феноменологической точки зрения можно сказать, что реальные (то есть, не виртуальные) кварки должны быть объединены так, чтобы образовывать «синглет» по отношению к цвету — то есть, быть в неком «бесцветном» состоянии. Только такие частицы мы и можем наблюдать. Натурально, один кварк бесцветным быть не может, поэтому в столкновениях одиночные кварки не получаются никогда. Исключением является ТруЪ кварк: только его наблюдали в одиночном виде, точнее — его распад.
Силы, связывающие кварки, схожи с пружиной: чем сильнее раздвигаешь, тем сильнее они притягиваются. Если гипотетически пытаться разорвать два кварка (пусть будет двухкварковая частица), то энергия связи между ними будет нарастать, и в какой-то момент она будет настолько велика, что этого будет достаточно для появления двух новых кварков, которые свяжутся с исходными. В итоге мы получим две частицы, плюс толстый хуй для тех, кто считает, что при этом «материя появилась из ничего!!!11адынадын» — слишком уж дохуя энергии пришлось потратить на попытку разорвать кварки.
Считается, что «странные» кварки могут при столкновении с другими превращать их в себе подобных, а также отталкиваться от других странных кварков. Таким образом, одна из моделей БП — ВНЕЗАПНОЕ создание странного кварка в каком-нибудь ускорителе частиц, и последующий распад всей планеты в субатомную пыль.
Еще у кварков есть спин и масса, но на это всем похуй.
Раньше ученые подозревали, что кварки тоже из чего-то состоят, предположительно — из преонов, но после того, как изобрели теорию струн, на преоны всем стало похуй.
Алсо один из экспериментов на этом вашем БАК — получение кварк-глюонной плазмы, столкнуть два ядра ~золота на такой скорости, что кварки будут существовать в несвязанном (квазибесцветном) состоянии аж целых 10 с!
Увы, не все любят элементарные частицы. Некий Санчо и его товарищи собираются пожаловаться Комиссару Совета Европы по правам человека, господину Томасу Хаммарбергу, на грядущий всепланетный катаклизм, который собираются устроить ученые и CERN, что построили этот самый коллайдер пруф1 пруф2. Доказательства? Парадокс Ферми — пока на Земле не обнаружено следов посещения другими цивилизациями, но число цивилизаций должно быть велико, и они должны были уже давно посетить нас — следовательно, раз следов нет, то всякая цивилизация заканчивает свое развитие самоэкстерминатусом через построение Коллайдера. Нужны экспериментальные данные? А гамма-вспышки — это разве не доказательство? На замечание о том, что энергии в этом Коллайдере будут гораздо ниже энергий космических лучей, там стараются не обращать внимания, ну а власти, как обычно, все скрывают.