Најважније из лекције
Основа материје: Елементарне градивне честице су 6 кваркова (\(u, d, c, s, t, b\)) и 6 лептона (\(e, \mu, \tau, \nu_e, \nu_\mu, \nu_\tau\)). Протони и неутрони се састоје од по 3 кварка, а мезони од 2.
Преносиоци интеракција: Интеракције се преносе разменом честица: фотон (\(\gamma\)) за електромагнетну, \(W^\pm, Z^0\) бозони за слабу, и глуони (\(g\)) за јаку силу.
Хигсов бозон: Кључна честица која путем Хигсовог механизма објашњава порекло масе елементарних честица.
Преносиоци интеракција: Интеракције се преносе разменом честица: фотон (\(\gamma\)) за електромагнетну, \(W^\pm, Z^0\) бозони за слабу, и глуони (\(g\)) за јаку силу.
Хигсов бозон: Кључна честица која путем Хигсовог механизма објашњава порекло масе елементарних честица.
Према квантној теорији поља, интеракције (силе) између честица не делују тренутно на даљину, већ се преносе разменом виртуелних честица (кванта поља).
Хајзенбергове релације неодређености омогућавају краткотрајно постојање виртуелних честица без нарушавања закона одржања енергије:
\[ \Delta E \Delta t \ge \frac{\hbar}{2} \qquad \text{и} \qquad \Delta r \Delta p \ge \frac{\hbar}{2} \]
Честица енергије \(\Delta E\) може настати и постојати током интервала \(\Delta t\), преносећи импулс \(\Delta p\) на растојању \(\Delta r\).
Два електрона се електростатички одбијају тако што међусобно емитују и апсорбују виртуелне фотоне, при чему се размењује импулс, што се макроскопски региструје као одбојна сила.
Кваркови – фундаменталне честице од којих су изграђене сложене субатомске честице. Теорију о кварковима поставио је Мари Гел-Ман (1964. године).
Структура честица:
- Протон и неутрон су састављени од по три кварка.
- Мезоне граде два кварка (кварк и антикварк).
Постоји 6 врста (укуса) кваркова:
| Ознака | Назив (енглески / српски) |
|---|---|
| \(u\) | up – горњи |
| \(d\) | down – доњи |
| \(c\) | charm – шармантни (заносни) |
| \(s\) | strange – страни (чудни) |
| \(t\) | top – горњи (вршни) |
| \(b\) | bottom – доњи (дубински) |
Свака фундаментална интеракција у природи има своју честицу преносиоца (бозон):
- Електромагнетна интеракција: преносилац је фотон (\(\gamma\)). Нема масу мировања.
- Јака интеракција: делује као „лепак” који држи кваркове на окупу унутар нуклеона; преносиоци су глуони (\(g\)).
- Слаба интеракција: одговорна за радиоактивне \(\beta\)-распаде; преносиоци су масивни \(W^+\), \(W^-\) и \(Z^0\) бозони.
Постојање \(W\) и \(Z\) бозона експериментално је потврђено 1983. године у CERN-у на СПС (Super Proton Synchrotron) акцелератору (Карло Рубија и Симон ван дер Мер).
Шелдон Глешоу, Стивен Вајнберг и Абдус Салам успешно су објединили електромагнетну и слабу интеракцију у јединствену електрослабу интеракцију.
Хигсов бозон – честица предвиђена „Хигсовим механизмом” (Питер Хигс), одговорна за механизам којим друге фундаменталне честице стичу своју масу.
Стандардни модел обједињује све познате елементарне честице и три фундаменталне интеракције (јаку, слабу и електромагнетну):
| Категорија | Честице | Улога |
|---|---|---|
| Кваркови | \(u, d, c, s, t, b\) | Градиве честице (граде протоне, неутроне, мезоне) |
| Лептони | \(e^-\) (електрон), \(\mu\) (мион), \(\tau\) (тау), \(\nu_e, \nu_\mu, \nu_\tau\) (одговарајући неутрини) |
Градиве елементарне честице без унутрашње структуре |
| Носиоци интеракција | \(\gamma\) (фотон), \(g\) (глуон), \(W^+, W^-, Z^0\) бозони | Пренос електромагнетне, јаке и слабе интеракције |
| Хигсов бозон | \(H\) | Даје масу елементарним честицама |
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Које елементарне честице према Стандардном моделу преносе јаку, а које електромагнетну интеракцију?
Одговор: Преносиоци јаке интеракције су глуони (\(g\)), док је преносилац електромагнетне интеракције фотон (\(\gamma\)).
Задатак 2 (средњи): Од колико кваркова су изграђени протон и неутрон, а од колико мезони? Како је Мари Гел-Ман дошао до имена „кварк”?
Одговор:
- Протон и неутрон су изграђени од по 3 кварка.
- Мезони су изграђени од 2 кварка (кварка и антикварка).
- Назив потиче из стиха Џојсове песме „Финеганово буђење”: „Three quarks for Muster Mark!”, где се спомињу управо три кварка.
Задатак 3 (средњи): Наведи свих 6 лептона из Стандардног модела и објасни основну разлику у маси између фотона и \(W/Z\) бозона према теорији Стандардног модела.
Одговор:
- Шест лептона су: електрон (\(e\)), мион (\(\mu\)), тау честица (\(\tau\)), електронски неутрино (\(\nu_e\)), мионски неутрино (\(\nu_\mu\)) и тау неутрино (\(\nu_\tau\)).
- Фотон нема масу мировања, док \(W^\pm\) и \(Z^0\) бозони имају врло велику масу. Ову разлику објашњава Хигсов механизам (интеракција са Хигсовим пољем преко Хигсовог бозона).
Задатак 4 (тежак): Како Хајзенбергова релација неодређености \(\Delta E \Delta t \ge \frac{\hbar}{2}\) омогућава рађање виртуелних честица којима се преноси сила између електрона, а да се не наруши закон одржања енергије?
Одговор:
Релација неодређености дозвољава флуктуацију енергије \(\Delta E\) (довољну за стварање виртуелне честице) само уколико тај процес траје краће од времена \(\Delta t \le \frac{\hbar}{2\Delta E}\). Пошто честица постоји само током тог изузетно кратког интервала \(\Delta t\) и бива апсорбована пре него што се може директно опазити, закон одржања енергије за спољашњи затворени систем остаје макроскопски очуван, док је импулс успешно пренет.
