Элементарные частицы. Самая маленькая частица во вселенной

Невероятные факты

Люди, как правило, обращают внимания на большие предметы, которые привлекают наше внимание сразу.

Напротив, маленькие вещи могут оставаться незамеченными, хотя от этого они не становятся менее важными.

Некоторые из них мы можем увидеть невооруженным глазом, другие только с помощью микроскопа, а есть и те, что можно представить себе только теоретически.

Вот коллекция самых маленьких вещей в мире, начиная от крошечных игрушек, миниатюрных животных и людей до гипотетической субатомной частицы.

Самый маленький пистолет в мире

Самый маленький револьвер в мире SwissMiniGun на вид не больше дверного ключа. Однако внешность обманчива, и пистолет длиною всего 5,5 см и весом чуть меньше 20-ти грамм может стрелять со скоростью 122 м в секунду. Этого достаточно, чтобы убить с близкого расстояния.

Самый маленький бодибилдер в мире

Согласно Книге рекордов Гиннеса Адития "Ромео" Дев (Aditya “Romeo” Dev) из Индии был самым маленьким бодибилдером в мире. При росте всего 84 см и весе 9 кг, он мог поднимать гантели весом 1,5 кг и проводил много времени, совершенствуя свое тело. К сожаленью, он умер в сентябре 2012 года из-за разрыва аневризмы мозга.

Самая маленькая ящерица в мире

Харагуанский сферо (Sphaerodactylus ariasae ) является самым маленьким пресмыкающимся в мире. Его длина составляет всего 16-18 мм, а вес 0,2 грамма. Он обитает в Национальном парке Харагуа в Доминиканской республике.

Самый маленький автомобиль в мире

Автомобиль Peel 50 весом 59 кг является самым маленьким серийным автомобилем в мире. В начале 1960-х годов было выпущено около 50-ти таких автомобилей, и сейчас осталось только несколько моделей. В автомобиле два колеса впереди и одно сзади, и он достигает скорости 16 км в час.

Самая маленькая лошадь в мире

Самая маленькая лошадь в мире по кличке Эйнштейн родилась в 2010 году в городе Барнстед в Нью-Гампшире, Великобритании. При рождении она весила меньше, чем новорожденный ребенок (2,7 кг). Ее рост составил 35 см. Эйнштейн не страдает от карликовости, а относится к породе лошадей пинто.

Самая маленькая страна в мире

Ватикан является самой маленькой страной в мире. Это маленькое государство площадью всего 0,44 кв. км и населением из 836 человек, которые не являются постоянным жителями. Крошечная страна окружает собор Святого Петра – духовный центр римских католиков. Сам Ватикан окружен Римом, Италией.

Самая маленькая школа в мире

Школа Калоу в Иране была признана ЮНЕСКО самой маленькой школой в мире. В деревушке, где находится школа, живет всего 7 семей, где насчитывается четверо детей: два мальчика и две девочки, которые и посещают школу.

Самый маленький чайник в мире

Самый маленький чайник в мире был создан известным мастером по керамике Ву Руишеном (Wu Ruishen) и он весит всего 1,4 грамма.

Самый маленький мобильный телефон в мире

Телефон Modu считается самым маленьким мобильным телефоном в мире согласно Книге Рекордов Гиннеса. При толщине 76 миллиметров, он весит всего 39 грамм. Его размеры составляют 72 мм x 37 мм x 7.8 мм. Несмотря на крошечные размеры, вы можете звонить, отправлять СМС сообщения, проигрывать MP3 и фотографировать.

Самая маленькая тюрьма в мире

Тюрьма Сарк на Нормандских островах была построена в 1856 году и вмещает одну камеру на 2-х заключенных.

Самая маленькая обезьянка в мире

Карликовые игрунки, которые обитают в тропических влажных лесах Южной Америки, считаются самыми крошечными обезьянками в мире. Вес взрослой обезьянки составляет 110-140 грамм, а длина достигает 15-ти см. Хотя у них довольно острые зубы и когти, они относительно послушные и популярны в качестве экзотических питомцев.

Самая маленькая почта в мире

Самая маленькая почтовая служба WSPS (World’s Smallest Postal Service) в городе Сан-Франсиско, США переводит ваши письма в миниатюрную форму, так что получателю придется читать его с увеличительным стеклом.

Самая маленькая лягушка в мире

Лягушка вида Paedophryne amauensis при длине 7,7 миллиметров обитает только в Папуа-Новой Гвинее, и является самой крошечной лягушкой и самым маленьким позвоночным в мире.

Самый маленький дом в мире

Самый маленький дом в мире американской компании Tumbleweed архитектора Джея Джафера (Jay Shafer) меньше, чем туалет у некоторых людей. Хотя этот дом площадью всего 9 кв. метров выглядит крошечным, он вмещает все, что вам нужно: рабочее место, спальню, ванную с душем и туалетом.

Самая маленькая собака в мире

В отношении высоты, самой маленькой собакой в мире согласно Книге Рекордов Гиннеса считается собака Бу Бу – чихуахуа высотой 10,16 см и весом 900 грамм. Она живет в штате Кентукки, США.

Кроме того на звание самой маленькой собаки в мире претендует Мейси - терьер из Польши высотой всего 7 см, и длиной 12 см.

Самый маленький парк в мире

Милл Эндс Парк в городе Портленд, штата Орегон, США - это самый маленький парк в мире диаметром всего 60 см. На небольшом круге, расположенном на пересечении дорог располагается бассейн для бабочек, маленькое колесо обозрения и миниатюрные статуи.

Самая маленькая рыба в мире

Рыба вида Paedocypris progenetica из семейства карповых, обнаруженная в торфяных болотах, вырастает всего до 7,9 миллиметров в длину.

Самый маленький человек в мире

72-летний непалец Чандра Бахадур Данги (Chandra Bahadur Dangi) при росте 54,6 см был признан самым невысоким человеком и мужчиной в мире.

Самая маленькая женщина в мире

Самой невысокой женщиной в мире является Йоти Амге (Jyoti Amge) из Индии. На свое 18-летие девушка при росте 62,8 см стала самой маленькой женщиной в мире.

Самый маленький полицейский участок

Эта небольшая телефонная будка в городе Карабелле, штата Флорида, США считается самым маленьким работающим полицейским участком.

Самый маленький младенец в мире

В 2004 году Румаиса Рахман (Rumaisa Rahman) стала самым маленьким новорожденным ребенком. Она родилась на 25-й неделе и весила всего 244 грамм, а ее рост составил 24 см. Ее сестра близнец Хиба весила почти в два раза больше - 566 грамм при росте 30 см. Их мать страдала от тяжелой формы предэклампсии, что может приводит к рождению детей меньшего размера.

Самые маленькие скульптуры в мире

Британский скульптор Уллард Уиган (Willard Wigan), который страдал от дислексии, не преуспевал в учебе и нашел утешение в создании миниатюрных произведений искусства, которые не видны невооруженным глазом. Его скульптуры помещаются в ушке иголки, достигая размеров 0,05 мм. Его недавние работы, которые называют не иначе, как "восьмым чудом света" не превышают размера клетки крови человека.

Самый маленький плюшевый мишка в мире

Мишка Мини-пух созданный немецким скульптором Беттиной Камински (Bettina Kaminski) стал самым крошечным сшитым вручную плюшевым медвежонком с подвижными лапками размером всего 5 мм.

Самая маленькая бактерия

Самый маленький вирус

Хотя среди ученых до сих пор спорят, что считать "живым", а что нет, большинство биологов не классифицируют вирусы в качестве живого организма, так как они не могут размножаться и не способны к обмену вне клетки. Однако вирус может быть меньше любого живого организма, включая бактерию. Самым маленьким одноцепочечным ДНК вирусом является цироковирус свиней (Porcine circovirus ). Диаметр его оболочки составляет всего 17 нанометров.

Самые маленькие объекты, видимые невооруженным глазом

Размер самого маленького объекта видимого невооруженным глазом составляет 1 миллиметр. Это означает, что при необходимых условиях вы сможете увидеть амебу обыкновенную, инфузорию-туфельку и даже яйцеклетку человека.

Самая маленькая частица во Вселенной

За последний век наука сделала огромный шаг к пониманию просторов Вселенной и ее микроскопических строительных материалов. Однако когда дело касается самой маленькой наблюдаемой частицы во Вселенной, возникают некоторые трудности.

Одно время самой маленькой частицей считался атом. Затем ученые открыли протон, нейтрон и электрон. Теперь же мы знаем, что, сталкивая частицы вместе (как например, в Большом адронном коллайдере) их можно разбить на еще больше частиц, таких как кварки, лептоны и даже антивещество . Проблема состоит лишь в определении того, что же является меньше.

Но на квантовом уровне размер становится несущественным, так как законы физики, к которым мы привыкли, не применимы. Так у некоторых частиц нет массы, у некоторых отрицательная масса. Решение этого вопроса, это все равно, что делить на нуль, то есть невозможно.

Самый маленький гипотетический объект во Вселенной

Учитывая, что было сказано выше о том, что понятие размера является неприменимым на квантовом уровне, можно обратиться к известной в физике теории струн.

Хотя это довольно противоречивая теория, она предполагает, что субатомные частицы состоят из вибрирующих струн , которые взаимодействуют, чтобы создать такие вещи, как масса и энергия. И хотя у таких струн нет физических параметров, склонность человека все обосновывать приводит нас к заключению, что это и есть самые маленькие объекты во Вселенной.

В физике элементарными частицами называли физические объекты в масштабах ядра атома, которые невозможно разделить на составные части. Однако, на сегодня, ученым все же удалось расщепить некоторые из них. Структуру и свойства этих мельчайших объектов изучает физика элементарных частиц.

О наименьших частицах, составляющих всю материю, было известно еще в древности. Однако, основоположниками так званого «атомизма» принято считать философа Древней Греции Левкиппа и его более известного ученика — Демокрита. Предполагается, что второй и ввел термин «атом». С древнегреческого «atomos» переводится как «неделимый», что определяет взгляды древних философов.

Позднее стало известно, что атом все же можно разделить на два физических объекта – ядро и электрон. Последний впоследствии и стал первой элементарной частицей, когда в 1897-м году англичанин Джозеф Томсон провел эксперимент с катодными лучами и выявил, что они представляют собой поток одинаковых частиц с одинаковыми массой и зарядом.

Параллельно с работами Томсона, занимающийся исследованием рентгеновского излучения Анри Беккерель проводит опыты с ураном и открывает новый вид излучения. В 1898 году французская пара физиков – Мария и Пьер Кюри изучают различные радиоактивные вещества, обнаруживая то же самое радиоактивное излучение. Позже будет установлено, что оно состоит из альфа (2 протона и 2 нейтрона) и бета-частиц (электроны), а Беккерель и Кюри получат Нобелевскую премию. Проводя свои исследования с такими элементами как уран, радий и полоний, Мария Склодовская-Кюри не предпринимала никаких мер безопасности, в том числе не использовала даже перчатки. Как следствие в 1934 году ее настигла лейкемия. В память о достижениях великого ученого, открытый парой Кюри элемент, полоний, был назван в честь родины Марии – Polonia, с латинского – Польша.

Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год. Попробуйте найди всех ученых из этой статьи на данном фото.

Начиная с 1905-го года, Альберт Эйнштейн посвящает свои публикации несовершенству волновой теории света, постулаты которой расходились с результатами экспериментов. Что впоследствии привело выдающегося физика к идее о «световом кванте» — порции света. Позже, в 1926-м году, он был назван как «фотон», в переводе с греческого «phos» («свет»), американским физиохимиком — Гилбертом Н. Льюисом.

В 1913 году Эрнест Резерфорд, британский физик, основываясь на результатах уже проведенных на то время экспериментов, отметил, что массы ядер многих химических элементов кратны массе ядра водорода. Поэтому он предположил, что ядро водорода является составляющей ядер других элементов. В своем эксперименте Резерфорд облучал альфа-частицами атом азота, который в результате излучил некую частицу, названную Эрнестом как «протон», с др. греческого «протос» (первый, основной). Позже было экспериментально подтверждено, что протон – это ядро водорода.

Очевидно, протон, не единственная составная часть ядер химических элементов. К такой мысли приводит тот факт, что два протона в ядре отталкивались бы, и атом мгновенно распадался. Поэтому Резерфорд выдвинул гипотезу о наличии еще одной частицы, которая имеет массу, равную массе протона, но является незаряженной. Некоторые опыты ученых по взаимодействию радиоактивных и более легких элементов, привели их к открытию еще одного нового излучения. В 1932-м году Джеймс Чедвик определил, что оно состоит из тех самых нейтральных частиц, которые назвал нейтронами.

Таким образом, были открыты наиболее известные частицы: фотон, электрон, протон и нейтрон.

Далее открытия новых субъядерных объектов становились все более частым событием, и на данный момент известно около 350 частиц, которые принято полагать «элементарными». Те из них, которые до сих пор не удалось расщепить, считаются бесструктурными и называются «фундаментальными».

Что такое спин?

Прежде чем переходить к дальнейшим инновациям в области физики, следует определиться с характеристиками всех частиц. К наиболее известным, не считая массы и электрического заряда, относится также и спин. Данная величина называется иначе как «собственный момент импульса» и никоим образом не связана с перемещением субъядерного объекта как целого. Ученым удалось обнаружить частицы со спином 0, ½, 1, 3/2 и 2. Чтобы представить наглядно, хоть и упрощенно, спин, как свойство объекта, рассмотрим следующий пример.

Пусть у предмета имеется спин равный 1. Тогда такой объект при повороте на 360 градусов возвратится в исходное положение. На плоскости этим предметом может быть карандаш, который после разворота на 360 градусов окажется в исходном положении. В случае с нулевым спином, при любом вращении объекта он будет выглядеть всегда одинаково, к примеру, одноцветный мячик.

Для спина ½ потребуется предмет, сохраняющий свой вид при развороте на 180 градусов. Им может быть все тот же карандаш, только симметрично наточенный с обеих сторон. Спин равный 2 потребует сохранения формы при повороте на 720 градусов, а 3/2 – 540.

Данная характеристика имеет очень большое значение для физики элементарных частиц.

Стандартная модель частиц и взаимодействий

Имея внушительный набор микрообъектов, составляющих окружающий мир, ученые решили их структурировать, так образовалась известная всем теоретическая конструкция под названием «Стандартная модель». Она описывает три взаимодействия и 61 частицу при помощи 17-ти фундаментальных, некоторые из которых были ею предсказаны задолго до открытия.

Три взаимодействия таковы:

• Электромагнитное. Оно происходит между электрически заряженными частицами. В простом случае, известном со школы, — разноименно заряженные объекты притягиваются, а одноименно – отталкиваются. Происходит это посредством, так называемого переносчика электромагнитного взаимодействия – фотона.
• Сильное, иначе – ядерное взаимодействие. Как ясно из названия, его действие распространяется на объекты порядка ядра атома, оно отвечает за притяжение протонов, нейтронов и прочих частиц, также состоящих из кварков. Сильное взаимодействие переносится при помощи глюонов.
• Слабое. Действует на расстояниях в тысячу меньших размера ядра. В таком взаимодействии принимают участия лептоны и кварки, а также их античастицы. При этом в случае слабого взаимодействия они могут перевоплощаться друг в друга. Переносчиками являются бозоны W+, W− и Z0.

Так Стандартная модель сформировалась следующим образом. Она включает шесть кварков, из которых состоят все адроны (частицы, подверженные сильному взаимодействию):

• Верхний (u);
• Очарованный (c);
• Истинный (t);
• Нижний (d);
• Странный (s);
• Прелестный (b).

Видно, что эпитетов физикам не занимать. Другие 6 частиц – лептоны. Это фундаментальные частицы со спином ½, которые не принимают участие в сильном взаимодействии.

• Электрон;
• Электронное нейтрино;
• Мюон;
• Мюонное нейтрино;
• Тау-лептон;
• Тау-нейтрино.

А третьей группой Стандартной модели являются калибровочные бозоны, которые имеют спин равный 1 и представляются переносчиками взаимодействий:

• Глюон – сильное;
• Фотон – электромагнитное;
• Z-бозон — слабое;
• W-бозон – слабое.

К ним также относится и недавно обнаруженный , частица со спином 0, которая, упрощенно говоря, наделяет все другие субъядерные объекты инертной массой.

В результате, согласно Стандартной модели, наш мир выглядит таким образом: все вещество состоит из 6 кварков, образующих адроны, и 6 лептонов; все эти частицы могут участвовать в трех взаимодействиях, переносчиками которых являются калибровочные бозоны.

Недостатки Стандартной модели

Однако, еще до открытия бозона Хиггса – последней частицы, предсказываемой Стандартной моделью, ученые вышли за ее пределы. Ярким примером тому есть т.н. «гравитационное взаимодействие», которое сегодня находится наравне с другими. Предположительно, переносчиком его есть частица со спином 2, которая не имеет массы, и которую физикам еще не удалось обнаружить — «гравитон».

Мало того, Стандартная модель описывает 61 частицу, а на сегодняшний день человечеству известно уже более 350 частиц. Это означает, что на достигнутом работа физиков-теоретиков не окончена.

Классификация частиц

Чтобы упростить себе жизнь, физики сгруппировали все частицы в зависимости от особенностей их строения и прочих характеристик. Классификация бывает по следующим признакам:

• Время жизни.
  1. Стабильные. В их числе протон и антипротон, электрон и позитрон, фотон, а также гравитон. Существование стабильных частиц не ограничено временем, до тех пор, пока они находятся в свободном состоянии, т.е. не взаимодействуют с чем-либо.
  2. Нестабильные. Все остальные частицы спустя некоторое время распадаются на свои составные части, потому называются нестабильными. Например, мюон живет всего лишь 2,2 микросекунды, а протон — 2,9 10*29 лет, после чего может распасться на позитрон и нейтральный пион.
• Масса.
  1. Безмассовые элементарные частицы, которых всего три: фотон, глюон и гравитон.
  2. Массивные частицы – все остальные.
• Значение спина.
  1. Целый спин, в т.ч. нулевой, имеют частицы, которые называются бозоны.
  2. Частицы с полуцелым спином — фермионы.
• Участие во взаимодействиях.
  1. Адроны (структурные частицы) – субъядерные объекты, что принимают участие во всех четырех типах взаимодействий. Ранее упоминалось, что они складываются с кварков. Адроны делятся на два подтипа: мезоны (целый спин, являются бозонами) и барионы (полуцелый спин — фермионы).
  2. Фундаментальные (бесструктурные частицы). К ним относятся лептоны, кварки и калибровочные бозоны (читайте ранее – «Стандартная модель..»).

Ознакомившись с классификацией всех частиц, можно, к примеру, точно определить некоторые из них. Так нейтрон является фермионом, адроном, а точнее барионом, и нуклоном, то есть имеет полуцелый спин, состоит из кварков и участвует в 4-х взаимодействиях. Нуклон же – это общее название для протонов и нейтронов.

• Интересно, что противники атомизма Демокрита, который предсказывал существование атомов, заявляли, что любое вещество в мире делится до бесконечности. В какой-то мере они могут оказаться правыми, так как ученым уже удалось разделить атом на ядро и электрон, ядро на протон и нейтрон, а их в свою очередь на кварки.
• Демокрит предполагал, что атомы имеют четкую геометрическую форму, и потому «острые» атомы огня – обжигают, шершавые атомы твердых тел крепко скрепляются своими выступами, а гладкие атомы воды проскальзывают при взаимодействии, иначе – текут.
• Джозеф Томсон составил собственную модель атома, который представлялся ему как положительно заряженное тело, в которое как бы «воткнуты» электроны. Его модель получила название «пудинг с изюмом» (Plum pudding model).
• Кварки получили свое название благодаря американскому физику Мюррею Гелл-Манну. Ученый хотел использовать слово, похожее на звук кряканья утки (kwork). Но в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» встретил слово «quark», в строке «Три кварка для мистера Марка!», смысл которого точно не определен и возможно, что Джойс использовал его просто для рифмы. Мюррей решил назвать частицы этим словом, так как на то время было известно лишь три кварка.
• Хотя фотоны, частицы света, являются безмассовыми, вблизи черной дыры, кажется, что они меняют свою траекторию, притягиваясь к ней при помощи гравитационного взаимодействия. На самом же деле сверхмассивное тело искривляет пространство-время, из-за чего любые частицы, в том числе и не имеющие массы, меняют свою траекторию в сторону черной дыры (см. ).
• Большой адронный коллайдер именно потому «адронный», что сталкивает два направленных пучка адронов, частиц размерами порядка ядра атома, которые участвуют во всех взаимодействиях.

Нейтрино, невероятно крошечная частица Вселенной, удерживает пристальное внимание ученых уже без малого столетие. За исследования нейтрино вручили больше Нобелевских премий, чем за работы о каких-либо других частицах, а для его изучения строят огромные установки с бюджетом небольших государств. Александр Нозик, старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, преподаватель МФТИ и участник эксперимента по поиску массы нейтрино «Троицк ню-масс», рассказывает, как его изучать, но главное - как вообще его поймать.

Загадка похищенной энергии

Историю изучения нейтрино можно читать как увлекательный детектив. Эта частица не раз испытывала дедуктивные способности ученых: не каждую из загадок удавалось решить сразу, а часть не раскрыта до сих пор. Начать хотя бы с истории открытия. Радиоактивные распады разного рода начали изучать еще в конце XIX века, и неудивительно, что в 1920-х годах ученые имели в своем арсенале приборы не только для регистрации самого распада, но и для измерения энергии вылетающих частиц, пусть и не особо точного по сегодняшним меркам. С увеличением точности приборов росла и радость ученых, и недоумение, связанное в том числе с бета-распадом, при котором из радиоактивного ядра вылетает электрон, а само ядро изменяет свой заряд. Такой распад называют двухчастичным, поскольку в нем образуются две частицы - новое ядро и электрон. Любой старшеклассник объяснит, что можно точно определить в таком распаде энергию и импульсы осколков, используя законы сохранения и зная массы этих осколков. Другими словами, энергия, например, электрона всегда будет одной и той же в любом распаде ядра определенного элемента. На практике же наблюдалась совсем другая картина. Энергия электронов не только не была фиксированной, но и размазывалась в непрерывный спектр до самого нуля, что ставило ученых в тупик. Такое может быть только в случае, если кто-то крадет энергию из бета-распада. Но красть-то ее вроде бы некому.

Со временем приборы становились все точнее, и вскоре возможность списать подобную аномалию на погрешность аппаратуры пропала. Так появилась загадка. В поисках ее разгадки ученые высказывали разнообразные, даже совершенно абсурдные по нынешним меркам предположения. Сам Нильс Бор, например, делал серьезное заявление, что законы сохранения не действуют в мире элементарных частиц. Спас положение Вольфганг Паули в 1930 году. Он не смог приехать на конференцию физиков в Тюбингене и, не имея возможности участвовать дистанционно, прислал письмо, которое попросил зачитать. Вот выдержки из него:

«Дорогие радиоактивные дамы и господа. Я прошу вас выслушать со вниманием в наиболее удобный момент посланца, доставившего это письмо. Он расскажет вам, что я нашел отличное средство для закона сохранения и правильной статистики. Оно заключается в возможности существования электрически нейтральных частиц… Непрерывность Β-спектра станет понятной, если предположить, что при Β-распаде вместе с каждым электроном испускается такой «нейтрон», причем сумма энергий «нейтрона» и электрона постоянна…»

В финале письма были следующие строки:

«Не рисковать - не победить. Тяжесть положения при рассмотрении непрерывного Β-спектра становится особенно яркой после слов проф. Дебая, сказанных мне с сожалением: «Ох, лучше не думать обо всем этом… как о новых налогах». Следовательно, необходимо серьезно обсудить каждый путь к спасению. Итак, уважаемый радиоактивный народ, подвергните это испытанию и судите».

Позже сам Паули высказывал опасения, что, хотя его идея и спасает физику микромира, новая частица так никогда и не будет открыта экспериментально. Говорят, он даже спорил со своими коллегами, что, если частица есть, обнаружить ее при их жизни не удастся. В последующие несколько лет Энрико Ферми создал теорию бета-распада с участием частицы, названной им нейтрино, которая блестящим образом согласовалась с экспериментом. После этого ни у кого не осталось сомнений в том, что гипотетическая частица существует на самом деле. В 1956 году, за два года до смерти Паули, нейтрино было экспериментально обнаружено в обратном бета-распаде группой Фредерика Райнеса и Клайда Коуэна (Райнес получил за это Нобелевскую премию).

Дело о пропавших солнечных нейтрино

Как только стало понятно, что нейтрино хоть и сложно, но все же можно зарегистрировать, ученые начали пытаться уловить нейтрино внеземного происхождения. Самый очевидный их источник - Солнце. В нем постоянно происходят ядерные реакции, и можно подсчитать, что через каждый квадратный сантиметр земной поверхности проходит около 90 миллиардов солнечных нейтрино в секунду.

На тот момент самым эффективным методом ловли солнечных нейтрино был радиохимический метод. Суть его такова: солнечное нейтрино прилетает на Землю, взаимодействует с ядром; получается, скажем, ядро 37Ar и электрон (именно такая реакция была использована в эксперименте Рэймонда Дэйвиса, за который ему впоследствии дали Нобелевскую премию). После этого, подсчитав количество атомов аргона, можно сказать, сколько нейтрино за время экспозиции взаимодействовало в объеме детектора. На практике, разумеется, все не так просто. Надо понимать, что требуется считать единичные атомы аргона в мишени весом в сотни тонн. Соотношение масс примерно такое же, как между массой муравья и массой Земли. Тут-то и обнаружилось, что похищено ⅔ солнечных нейтрино (измеренный поток оказался в три раза меньше предсказанного).

Разумеется, в первую очередь подозрение пало на само Солнце. Ведь судить о его внутренней жизни мы можем только по косвенным признакам. Неизвестно, как на нем рождаются нейтрино, и возможно даже, что все модели Солнца неправильные. Обсуждалось достаточно много различных гипотез, но в итоге ученые стали склоняться к мысли, что все-таки дело не в Солнце, а в хитрой природе самих нейтрино.

Небольшое историческое отступление: в период между экспериментальным открытием нейтрино и опытами по изучению солнечных нейтрино произошло еще несколько интересных открытий. Во-первых, были открыты антинейтрино и доказано, что нейтрино и антинейтрино по-разному участвуют во взаимодействиях. Причем все нейтрино во всех взаимодействиях всегда левые (проекция спина на направление движения отрицательна), а все антинейтрино - правые. Мало того что это свойство наблюдается среди всех элементарных частиц только у нейтрино, оно еще и косвенно указывает на то, что наша Вселенная в принципе не симметрична. Во-вторых, было обнаружено, что каждому заряженному лептону (электрону, мюону и тау-лептону) соответствует свой тип, или аромат, нейтрино. Причем нейтрино каждого типа взаимодействуют только со своим лептоном.

Вернемся к нашей солнечной проблеме. Еще в 50-х годах XX века было высказано предположение, что лептонный аромат (тип нейтрино) не обязан сохраняться. То есть если в одной реакции родилось электронное нейтрино, то по пути к другой реакции нейтрино может переодеться и добежать как мюонное. Этим можно было бы объяснить нехватку солнечных нейтрино в радиохимических экспериментах, чувствительных только к электронным нейтрино. Эта гипотеза была блестящим образом подтверждена при измерениях потока солнечных нейтрино в сцинтилляционных экспериментах с большой водной мишенью SNO и Kamiokande (за что недавно вручили еще одну Нобелевскую премию). В этих экспериментах изучается уже не обратный бета-распад, а реакция рассеяния нейтрино, которая может происходить не только с электронными, но и с мюонными нейтрино. Когда вместо потока электронных нейтрино стали измерять полный поток всех типов нейтрино, результаты прекрасно подтвердили переход нейтрино из одного типа в другой, или нейтринные осцилляции.

Покушение на Стандартную модель

Открытие осцилляций нейтрино, решив одну проблему, создало несколько новых. Суть в том, что еще со времен Паули нейтрино считались безмассовыми частицами подобно фотонам, и это всех устраивало. Попытки измерить массу нейтрино продолжались, но без особого энтузиазма. Осцилляции все изменили, поскольку для их существования масса, пусть и маленькая, обязательна. Обнаружение массы у нейтрино, разумеется, привело экспериментаторов в восторг, но озадачило теоретиков. Во-первых, массивные нейтрино не вписываются в Стандартную модель физики элементарных частиц, которую ученые строили еще с начала XX века. Во-вторых, та самая загадочная левосторонность нейтрино и правосторонность антинейтрино хорошо объясняется только опять-таки для безмассовых частиц. При наличии массы левые нейтрино должны с некоторой вероятностью переходить в правые, то есть в античастицы, нарушая, казалось бы, незыблемый закон сохранения лептонного числа, или вовсе превращаться в какие-то нейтрино, не участвующие во взаимодействии. Сегодня такие гипотетические частицы принято называть стерильными нейтрино.

Нейтринный детектор «Супер-Камиоканде» © Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo

Разумеется, экспериментальные поиски массы нейтрино тут же резко возобновились. Но сразу возник вопрос: как же измерить массу того, что никак не удается поймать? Ответ один: не ловить нейтрино вообще. На сегодняшний день наиболее активно разрабатываются два направления - прямой поиск массы нейтрино в бета-распаде и наблюдение безнейтринного двойного бета-распада. В первом случае идея очень проста. Ядро распадается с излучением электрона и нейтрино. Нейтрино поймать не удается, но поймать и измерить с очень большой точностью возможно электрон. Спектр электронов несет информацию и о массе нейтрино. Такой эксперимент - один из самых сложных в физике частиц, но при этом его безусловный плюс в том, что он основан на базовых принципах сохранения энергии и импульса и его результат мало от чего зависит. Сейчас самое лучшее ограничение на массу нейтрино составляет около 2 эВ. Это в 250 тысяч раз меньше, чем у электрона. То есть саму массу не нашли, а только ограничили верхней рамкой.

С двойным бета-распадом все сложнее. Если предположить, что нейтрино при перевороте спина превращается в антинейтрино (такую модель называют по имени итальянского физика Этторе Майорана), то возможен процесс, когда в ядре происходят одновременно два бета-распада, но нейтрино при этом не вылетают, а сокращаются. Вероятность такого процесса связана с массой нейтрино. Верхние границы в подобных экспериментах лучше - 0,2‒0,4 эВ, - но зависят от физической модели.

Проблема массивного нейтрино не решена до сих пор. Теория Хиггса не может объяснить настолько маленькие массы. Требуется ее существенное усложнение или привлечение каких-то более хитрых законов, по которым нейтрино взаимодействуют c остальным миром. Физикам, занимающимся исследованием нейтрино, часто задают вопрос: «А как исследование нейтрино может помочь среднестатистическому обывателю? Какую финансовую или другую выгоду можно извлечь из этой частицы?» Физики разводят руками. И они действительно этого не знают. Когда-то исследование полупроводниковых диодов относилось к чисто фундаментальной физике, без какого-либо практического применения. Разница в том, что технологии, которые разрабатываются для создания современных экспериментов по физике нейтрино, широко используются в промышленности уже сейчас, так что каждая вложенная в эту сферу копейка довольно быстро окупается. Сейчас в мире ставятся несколько экспериментов, масштаб которых сравним с масштабом Большого адронного коллайдера; эти эксперименты направлены исключительно на исследование свойств нейтрино. В каком из них удастся открыть новую страницу в физике, неизвестно, но открыта она будет совершенно точно.

Мир и наука никогда не стоят на месте. Еще совсем недавно в учебниках по физике уверенно писали, что электрон – самая маленькая частица. Потом самыми мельчайшими частицами стали мезоны, потом бозоны. И вот наукой открыта новая самая мельчайшая частица во Вселенной – планковская черная дыра. Правда, открыта она пока что только в теории. Эта частица относится к категории черных дыр потому, что ее гравитационный радиус больше либо равен длине волны. Из всех существующих черных дыр, планковская – самая маленькая.

Слишком маленькое время жизни этих частиц не может сделать возможным их практическое обнаружение. По крайней мере, на данный момент. А образуются они, как это принято считать, в результате ядерных реакций. Но не только время жизни планковских черных дыр не дает их обнаружить. Сейчас, к сожалению, это невозможно с технической точки зрения. Для того, чтобы синтезировать планковские черные дыры необходим ускоритель энергии в более тысячи электрон-вольт.

Видео:

Не смотря на такое гипотетическое существование этой мельчайшей частицы во Вселенной, ее практическое открытие в будущем является вполне возможным. Ведь еще не так давно легендарный бозон Хиггса так же не удавалось обнаружить. Именно для его обнаружения была создана установка, о которой не слышал только самый ленивый житель на Земле – Большой адронный коллайдер. Уверенность ученых в успехе этих исследований помогла добиться достижения сенсационного результата. Бозон Хиггса на данный момент мельчайшая частица из тех, чье существование доказано практически. Ее открытие очень важно для науки, она позволила приобрести массу всем частицам. А если бы у частиц не было массы, вселенная не могла бы существовать. В ней не могло бы образовываться ни одно вещество.

Не смотря на практическое доказанное существование этой частицы, бозона Хиггса, применения на практике для него еще не придумали. Пока это всего лишь теоритические знания. Но в будущем возможно все. Далеко не все открытия в области физики сразу же имели практическое применение. Никто не знает, что будет через сто лет. Ведь, как говорилось ранее, мир и наука никогда не стоят на месте.

Самая мель­чай­шая ча­сти­ца са­ха­ра – мо­ле­ку­ла са­ха­ра. Их стро­е­ние та­ко­во, что сахар на вкус слад­кий. А стро­е­ние мо­ле­кул воды та­ко­во, что чи­стая вода слад­кой не ка­жет­ся.

4. Молекулы состоят из атомов

А молекула водорода будет мельчайшей частицей вещества водород. Мельчайшими частицами атомов являются элементарные частицы: электроны, протоны и нейтроны.

Всё известное вещество на Земле и за ее пределами состоит из химических элементов. Общее количество встречающихся в природе элементов – 94. При нормальной температуре 2 из них находятся в жидком состоянии, 11 – в газообразном и 81 (включая 72 металла) – в твёрдом. Так называемым «четвёртым состоянием материи» является плазма, состояние, при котором отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные ионы находятся в постоянном движении. Пределом измельчения является твёрдый гелий, который, как было установлено еще в 1964 г., должен представлять собой моноатомный порошок. TCDD, или 2, 3, 7, 8-тетрахлородибензо-п-диоксин, открытый в 1872 г., смертелен в концентрации 3,1·10–9 моль/кг, что в 150 тыс. раз сильнее аналогичной дозы цианида.

Вещество состоит из отдельных частиц. Молекулы разных веществ различны. 2-х атомов кислорода. Это молекулы полимеров.

Просто о сложном: загадка самой мелкой частицы во Вселенной, или как поймать нейтрино

Стандартная модель физики элементарных частиц - теория, описывающая свойства и взаимодействия элементарных частиц. У всех кварков есть также электрический заряд, кратный 1/3 элементарного заряда. Их античастицы - антилептоны (античастица электрона называется позитрон по историческим причинам). Гипероны, такие, как Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-частицы, содержат один или больше s-кварков, быстро распадаются и тяжелее нуклонов. Молекулы - самые маленькие частицы вещества, ещё сохраняющие его химические свойства.

Какую финансовую или другую выгоду можно извлечь из этой частицы?» Физики разводят руками. И они действительно этого не знают. Когда-то исследование полупроводниковых диодов относилось к чисто фундаментальной физике, без какого-либо практического применения.

Бозон Хиггса – это частица, которая настолько важна для науки, что она получила прозвище «частица Бога». Именно она, как полагают ученые, дает массу всем остальным частицам. Эти частицы начинают разрушаться, как только они появляются на свет. Создание частицы требует огромного количества энергии, например такого, которое было произведено Большим Взрывом. Что касается большего размера и веса суперпартнеров, ученые полагают, что симметрия была нарушена в скрытом секторе вселенной, который не может быть видим или найден. Например, свет состоит из частиц с нулевой массой, называемых фотонами, они несут электромагнитную силу. Точно так же гравитоны являются теоретическими частицами, которые несут силу тяжести. Ученые до сих пор пытаются отыскать гравитоны, но сделать это очень сложно, так как данные частицы очень слабо взаимодействуют с материей.