Рубрика «фермионы»

image
Частицы стандартной модели, с массами, указанными в левом верхнем углу. Три левых столбца занимают фермионы, два правых — бозоны

Во всей Вселенной есть только два типа фундаментальных частиц: фермионы и бозоны. Каждая частица, в дополнение к обычным, известным вам свойствам, вроде массы и электрического заряда, обладает присущим ей количеством углового момента, известного, как спин. Частицы с полуцелыми спинами (±1/2, ±3/2, ±5/2,..) известны, как фермионы. Частицы с целыми спинами (0, ±1, ±2,..) — бозоны. Других частиц, фундаментальных или составных, во Вселенной нет. Но почему это имеет значение? Наш читатель спрашивает:

Не могли бы вы объяснить разницу между фермионами и бозонами? Что меняется при переходе от целого спина к полуцелому?

На первый взгляд, разбитие частиц на категории по таким свойствам кажется случайным.
Читать полностью »

Хотя большинство частиц дезинтегрируются, или распадаются, на другие частицы, некоторые из них так себя не ведут. Но почему?

В мире есть много типов частиц, часть из них выглядит элементарными, другие можно построить из элементарных – к примеру, протоны, нейтроны и атомное ядро – но большинство из них распадаются за малую долю секунды. В предыдущей статье я объяснил, почему они распадаются; на самом деле это форма рассеивания, о которой мы имеем интуитивное представление, происходящее из нашего опыта, связанного с волнами и вибрациями. Но почему же несколько типов частиц вообще не распадаются, или, по крайней мере, живут гораздо дольше, чем 13,7 миллиардов лет, дольше возраста Вселенной?

Единственные из известных в природе стабильных частиц – это электрон (и антиэлектрон), легчайший из трёх типов нейтрино (и его античастица), фотон, и предполагаемый гравитон (оба последних являются античастицами сами себе). Другие нейтрино, протон и множество атомных ядер (и их античастиц – тут я прекращаю упоминание античастиц, оно будет подразумеваться), вероятно, нестабильны, но живут очень, очень, очень долго. Протоны, например, живут так долго, что с Большого взрыва их распалось очень малое количество, так что со всех практических точек зрения они стабильны. Другая долгоживущая частица – это нейтрон, который сам по себе, вне атомного ядра, живёт всего около 15 минут. Но внутри атомных ядер нейтроны могут жить дольше возраста Вселенной. Наконец, стоит добавить, что если тёмная материя состоит из частиц, тогда эти частицы тоже должны быть стабильными или очень, очень долгоживущими.
Читать полностью »

image
Студент-физик Лоуренс Чеюк, один из авторов работы, настраивает лазерную оптику / SciTech Daily

Учёные-физики из Массачусетского технологического института (MIT) построили первый в мире фермионный микроскоп. Охлаждаемые в эксперименте с помощью двух лазеров с различными длинами волн, атомы калия 40K переходят на всё более низкие энергетические уровни. При этом фермионы испускают фотоны, которые улавливаются микроскопом и дают картинку.

Вся известная нам материя состоит из бозонов и фермионов. Фермионы формируют материю – это кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, которые сами по себе являются фермионами, а также лептоны (электроны, мюоны, тау-лептоны, нейтрино). Бозоны – это переносчики взаимодействия (фотоны, глюоны, W и Z-бозоны, и тот самый бозон Хиггса).

В Гарвардском университете учёным удалось построить бозонный микроскоп в 2009 году, а в 2010 году их работу повторили в Институте квантовой оптики им. Макса Планка. А вот увидеть в микроскоп фермионы до сей поры не удавалось. Мешал принцип запрета Паули, согласно которому в замкнутой квантовой системе два и более тождественных фермиона (частицы с полуцелым спином) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии. Потому попытки охладить облако фермионов приводили к тому, что все они выстраивались на разных энергетических уровнях, и обладавшие наибольшей энергией частицы охладить далее было невозможно.
Читать полностью »