Номер 7, страница 273 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

7. Каково количество фундаментальных частиц согласно современным представлениям?

Решение

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, которая описывает большинство известных явлений в микромире, фундаментальные частицы делятся на две большие группы: фермионы и бозоны. Общее количество частиц зависит от метода подсчета.

1. Фермионы (частицы вещества)

Фермионы — это "кирпичики" материи. Они имеют полуцелый спин (например, $1/2$) и подчиняются принципу Паули. Всего в Стандартной модели 12 типов фермионов, которые делятся на кварки и лептоны, сгруппированные в три поколения.

• Кварки (6 типов): Участвуют в сильных взаимодействиях.
  • Первое поколение: верхний (up, $u$), нижний (down, $d$)
  • Второе поколение: очарованный (charm, $c$), странный (strange, $s$)
  • Третье поколение: истинный (top, $t$), прелестный (bottom, $b$)
• Лептоны (6 типов): Не участвуют в сильных взаимодействиях.
  • Первое поколение: электрон ($e^-$), электронное нейтрино ($\nu_e$)
  • Второе поколение: мюон ($\mu^-$), мюонное нейтрино ($\nu_\mu$)
  • Третье поколение: тау-лептон ($\tau^-$), тау-нейтрино ($\nu_\tau$)

2. Бозоны (частицы-переносчики взаимодействий и бозон Хиггса)

Бозоны имеют целый спин ($0, 1, 2, ...$) и являются переносчиками фундаментальных сил или, как в случае бозона Хиггса, отвечают за массу частиц.

• Калибровочные бозоны (спин 1):
  • Глюоны ($g$): 8 различных частиц, являются переносчиками сильного взаимодействия.
  • Фотон ($\gamma$): 1 частица, переносчик электромагнитного взаимодействия.
  • W- и Z-бозоны ($W^+, W^-, Z^0$): 3 частицы, переносчики слабого взаимодействия.
• Скалярный бозон (спин 0):
  • Бозон Хиггса ($H^0$): 1 частица, благодаря которой частицы приобретают массу.

3. Общее количество частиц

Подсчет можно провести двумя способами:

• По типам частиц (упрощенный подсчет): В этом случае группы частиц (например, все 8 глюонов) считают за один тип.
  12 фермионов + 5 типов бозонов (глюон, фотон, W-бозон, Z-бозон, бозон Хиггса) = 17 частиц.
  Это наиболее часто встречающееся число в научно-популярной литературе.
• Подсчет всех уникальных частиц: Здесь учитываются все разновидности.
  12 фермионов + 8 глюонов + 1 фотон + 2 W-бозона ($W^+$ и $W^-$) + 1 Z-бозон + 1 бозон Хиггса = 25 частиц.

4. Античастицы и гипотетические частицы

Современные представления не ограничиваются только перечисленными частицами:

• Античастицы: У каждого из 12 фермионов существует античастица с той же массой, но противоположным зарядом (например, позитрон $e^+$ для электрона $e^-$). Большинство бозонов являются собственными античастицами, исключение — $W^+$, античастицей которого является $W^-$.
• Частицы за рамками Стандартной модели: Стандартная модель не является полной теорией. Она не описывает гравитацию, темную материю и темную энергию. Поэтому физики предполагают существование других частиц, таких как гравитон (переносчик гравитации), аксионы или вимпы (кандидаты в темную материю) и суперпартнеры (предсказываемые суперсимметрией).

Ответ: Согласно Стандартной модели, фундаментальных частиц насчитывается 17 типов (12 фермионов и 5 бозонов). Если считать все уникальные частицы, включая разные состояния (например, 8 глюонов), то их общее число составляет 25. Кроме того, у каждой частицы вещества (фермиона) есть своя античастица, а современные теории предсказывают существование и других, пока не открытых, частиц.