Co je kódování signálu? Digitální kódování. Potenciální kód bez návratu na nulu
Petrohradská polytechnická univerzita
Ústav průmyslového managementu, ekonomiky a obchodu
ABSTRAKTNÍ
V oboru "Koncepce moderních přírodních věd"
na téma "Higgsův boson-částice boha"
Práci dokončil student
Davlatov Jakhongir
Skupina 137332/0005
Práce byla zkontrolována docentem
Boborykina Jekatěrina Nikolajevna
Petrohrad 2016
Úvod
Klasifikace elementárních částic
1 Pojem boson. Typy bosonů
2 Co je to Higgsův boson a proč je potřeba?
3 Něco málo o Large Hadron Collider
Pokusy o hledání Higgsova bosonu
1 Některé vlastnosti Higgsova bosonu
2 Jak změní Higgsův boson svět?
Závěr
Úvod
Existuje obecně uznávaná teorie o tom, jak svět funguje na nejmenších měřítcích. Jedná se o tzv Standardní model. Má několik zásadních různé typy látky, které různé způsoby interagovat navzájem. Někdy je vhodné hovořit o takových interakcích, jako je výměna určitých „předmětů“, u kterých lze měřit rychlost, hmotnost, urychlovat je nebo je tlačit proti sobě. Jedná se o nosné částice. Takové částice v modelu 12:11 byly pozorovány již dříve a 12. částice, Higgsův boson, udává hmotnost zbývajících částic.
Relevance tématuAbstrakt je způsoben rostoucím zájmem o objev této částice, což nám možná umožní zvednout oponu tajemství vesmíru. Mnoho vědců se domnívá, že nás v příštích desetiletích čekají revoluční změny ve vědě. primární cílMým úkolem je zjistit, co je Higgsův boson a jaká je jeho role v interakcích částic. V souladu se stanoveným cílem, další úkoly:
.Zvažte, jaké místo zaujímá Higgsův boson mezi ostatními elementárními částicemi. 2.Zjistěte, jakou roli hraje Higgsův boson v navrhovaném modelu vývoje vesmíru. 3.Určete vyhlídky pro aplikaci vlastností Higgsova bosonu. 1. Klasifikace elementárních částic
Elementární částice je souhrnný termín, který označuje mikroobjekty, které nelze rozdělit na jednotlivé části. Elementární částice se dělí do následujících skupin: Složené částice:
Hadrony jsou částice, které se účastní všech typů základních interakcí. Skládají se z kvarků a dělí se na: · Mezony jsou hadrony s celočíselným spinem, to znamená, že jsou to bosony; · Baryony jsou hadrony s polocelým spinem, tedy fermiony. Mezi ně patří zejména částice, které tvoří jádro atomu – proton a neutron. Základní (bezstrukturní) částice:
· Leptony jsou fermiony, které mají vzhled bodových částic (tj. z ničeho se neskládají). Neúčastní se silných interakcí. · Kvarky jsou částečně nabité částice, které jsou součástí hadronů. Jsou považovány za bezstrukturní, nicméně na rozdíl od leptonů se účastní silných interakcí. · Kalibrační bosony jsou částice, jejichž výměnou probíhají interakce: · Foton je částice, která nese elektromagnetickou interakci; · Osm gluonů - částic, které nesou silnou sílu; · Tři střední vektorové bosony. Standardní model navíc obsahuje Higgsův boson. .1 Pojem boson. Typy bosonů
Boson (z příjmení fyzika Bose) je částice s celočíselnou spinovou hodnotou. Termín byl vytvořen fyzikem Paulem Diracem. Bosony se na rozdíl od fermionů řídí Bose-Einsteinovou statistikou, která umožňuje, že v jednom kvantovém stavu může být neomezené množství identické částice. Systémy mnoha bosonů jsou popsány vlnovými funkcemi, které jsou symetrické s ohledem na permutace částic. Existují elementární a složené bosony. Elementární bosony jsou kvanta kalibračních polí, s jejichž pomocí se provádí interakce elementárních fermionů (leptonů a kvarků) ve Standardním modelu. V předchozí kapitole již bylo řečeno, že mezi tyto kalibrační bosony patří: · Foton (elektromagnetická interakce), · Gluon (silná síla) · W± a Z bosony (slabá interakce). Mezi elementární bosony navíc patří Higgsův boson, který je v elektroslabé teorii zodpovědný za mechanismus vzniku hmot, a dosud neobjevený graviton (gravitační interakce). Všechny elementární bosony, s výjimkou W± bosonů, jsou bez náboje. W+ a W− bosony působí ve vzájemném vztahu jako antičástice. Kalibrační bosony (foton, gluon, W± a Z bosony) mají jednotkový spin. Hypotetický graviton má spin 2 a Higgsův boson má spin 0. Složené bosony zahrnují četné dvoukvarky přidružené státy, zvané mezony. Jako u všech bosonů je spin mezonů celé číslo a jeho hodnota v zásadě není omezena (0,1,2, 3,). Dalšími příklady bosonů jsou jádra obsahující sudý počet nukleonů (protonů a neutronů). .2 Co je to Higgsův boson a proč je potřeba?
Higgsův boson je teoreticky předpovězená elementární částice, elementární boson, který nutně vzniká ve Standardním modelu díky Higgsovu mechanismu. Toto je poslední chybějící prvek moderní teorie elementární částice. Tato hypotetická částice je zodpovědná za hmotnosti všech ostatních elementárních částic. Před téměř dvěma desetiletími fyzik z Národní laboratoře urychlovačů Enrica Fermiho a laureát Nobelovy ceny Leon Lederman ve své knize vtipně nazval Higgsův boson „částicí Boha“ a toto jméno se k všeobecné nelibosti fyziků pevně drželo. „nepolapitelný“ boson v poznámkách a mediálních příbězích. Podle konstrukce je Higgsův boson skalární částice, to znamená, že má nulový spin. Postuloval Peter Higgs. Ve svých zásadních článcích publikovaných v roce 1964. V rámci Standardního modelu je zodpovědný za hmotnost elementárních částic. Po mnoho let tato částice existovala pouze v myslích teoretických fyziků. Existuje dobře zavedená hypotéza o tom, jak to funguje většina z Vesmír: všechny částice, které tvoří atomy, molekuly a hmotu, které nás obklopují, jsou známy; Byly také studovány síly, které to vše uvedly do pohybu. Tato hypotéza se nazývá „Standardní model“. V tomto teoretickém rámci je však mezera: nevysvětluje, jak všechny tyto částice získávají hmotnost. V roce 1964 skupina šesti vědců, včetně edinburského fyzika Petera Higgse, navrhla vysvětlení tohoto procesu, nazývaného Higgsův mechanismus. Higgsův mechanismus lze vizuálně znázornit následovně. Malé pěnové kuličky rozptýlené na povrchu stolu (analogy bezhmotných částic) se snadno rozptýlí při sebemenším nádechu; jakmile se však vysypou na hladinu vody, už se nepohybují tak snadno - interakce s kapalinou, která v této analogii hraje roli vakuového Higgsova pole, jim dala setrvačnost. Zvlnění od úderu dál volný povrch voda bude analogem Higgsových bosonů. Jak tedy masy vznikají? Zdálo by se, že lze existenci mas prostě přijmout jako fakt a uklidnit se nad tím. Nastal však problém. Teoretici našli velmi plodný způsob, jak zkonstruovat teorii interakce elementárních částic. Stačí najít symetrii v konkrétní interakci a vyžadovat invarianci vzhledem k rotacím v odpovídajícím prostoru a automaticky se získají transportní pole této interakce. Tento přístup je základem standardního modelu, který popisuje elektromagnetické, slabé a silné interakce. Nositeli těchto interakcí jsou fotony, W- a Z-bosony a gluony. Tato teorie nutně vyžaduje, aby nosné částice interakce byly bez hmotnosti. Fotony a gluony mají skutečně nulové hmotnosti, ale hmotnosti W- a Z-bosonů se ukázaly být velmi velké, asi stokrát více hmoty proton. K vyřešení tohoto problému byl vynalezen mechanismus, že zpočátku jsou všechny tyto částice bez hmoty a hmota vzniká dynamicky díky interakci s určitým skalárním polem, které vyplňuje veškerý prostor. Hmotnost částice je úměrná konstantě interakce této částice s tímto polem. Polní kvantum je přesně Higgsův boson. Teorie nepředpovídá jeho hmotnost, proto se hledalo v široký rozsah hm. .3 Něco málo o Velkém hadronovém urychlovači
Obří urychlovač částic, Large Hadron Collider, největší stroj na Zemi, bude vědcům sloužit ještě mnoho let. Hlavním kanálem tohoto urychlovače je 27kilometrový tunel, v jehož středu jsou pomocí 9300 magnetů v úplném vakuu a teplotě -271 stupňů Celsia urychlovány paprsky elementárních částic na rychlosti blízké rychlosti světla a srazit se navzájem. Kromě toho, že se při srážce takových paprsků uvolní neuvěřitelné množství energie (kterou naštěstí pohltí hlavně chladiče urychlovače), vědci dokážou zaznamenat nejmenší elementární částice, které tvoří veškerou hmotu ve Vesmíru. A to i přesto, že hledání Higgsova bosonu bylo technicky nejnáročnější a rozsáhlý výzkum na podobné vybavení, neodhalilo plný potenciál urychlovače. Jedním z hlavních cílů projektu je experimentální důkaz existence Higgsova bosonu a jeho výzkum. 2. Pokusy o hledání Higgsova bosonu
Hledání Higgsova bosonu ve velkém elektron-pozitronovém urychlovači (LEP) Evropského střediska pro jaderný výzkum bylo neúspěšné. Předpokládalo se, že otázka existence Higgsova bosonu bude zcela vyjasněna po uvedení Velkého hadronového urychlovače (LHC) do provozu a provozu po několik let. V roce 2004 data z experimentu k určení hmotnosti t-kvarku, provedeného na synchrotronu Tevatron v National Accelerator Laboratory. Enrico Fermi, během tohoto zpracování byl získán přesný odhad hmotnosti, což vedlo k opětovnému odhadu horní hranice hmotnosti Higgsova bosonu na 251 GeV. V roce 2010, během experimentů na Tevatronu, výzkumná skupina objevila 1% rozdíl v počtu mionů a anti-mionů produkovaných během rozpadu mezonu B. Brzy bylo oznámeno, že důvodem nesrovnalosti může být existence ne jednoho, ale pěti Higgsových bosonů - v rámci teorie supersymetrie mohou existovat kladně i záporně nabité, skalární (lehký a těžký) a pseudoskalární boson. Očekávalo se, že experimenty na Large Hadron Collider pomohou potvrdit nebo vyvrátit tuto hypotézu. V červenci 2011 spolupráce ATLAS a CMS identifikovala statistické odchylky v hmotnostní oblasti 130-150 GeV ve výsledcích prezentovaných na konferenci EPS-HEP 2011 v Grenoblu, což možná ukazuje na existenci Higgsova bosonu. Data z Velkého hadronového urychlovače však stále přicházejí a následné zpracování může výsledné odchylky vyrovnat. Mezitím se na téže konferenci uzavřelo rozmezí od 150 GeV do 400 GeV, kde Higgsův boson nemůže existovat. V listopadu 2011 spolupráce ATLAS a CMS zúžila hmotnostní rozsah možné existence bosonu na 114-141 GeV. Interval od 141 do 443 GeV byl vyloučen s pravděpodobností 99 %. s výjimkou tříúzká okna mezi 220 a 320 GeV. V prosinci 2011 představila spolupráce ATLAS a CMS předběžné výsledky z dat z roku 2011, přičemž hlavním závěrem bylo, že standardní model Higgsův boson, pokud existuje, má podle experimentu ATLAS s největší pravděpodobností hmotnost v rozmezí 116-130 GeV. , a 115- 127 GeV - podle dat CMS. Oba experimenty pozorují přebytek signálu nad pozadím v těchto intervalech v různých domnělých rozpadových kanálech Higgsova bosonu. Je zajímavé, že několik nezávislých měření ukazuje na oblast od 124 do 126 GeV. Bylo příliš brzy říci, že ATLAS a CMS objevily Higgsův boson, ale tyto aktualizované výsledky vyvolaly velký zájem v komunitě částicové fyziky. Definitivní prohlášení o existenci či neexistenci Higgsova bosonu však vyžadují větší objemúdaje, které se očekávaly v roce 2012. V červenci 2012 spolupráce D0 a CDF uvedly, že na základě jejich analýzy dat urychlovače Tevatron existuje určitý přebytek, který lze interpretovat jako způsobený Higgsovým bosonem o hmotnosti v rozmezí 115-135 GeV. statistická významnost 2,9 směrodatné odchylky, což je méně než práh 5 sigma potřebný k oznámení objevu částice. července 2012, na vědeckém semináři CERN, konaném v rámci vědecká konference ICHEP 2012 v Melbourne byly prezentovány předběžné výsledky z experimentů ATLAS a CMS Higgs boson za první polovinu roku 2012. Oba detektory pozorovaly novou částici o hmotnosti asi 125-126 GeV s hladinou statistická významnost 5 sigma. Předpokládá se, že tato částice je boson a je to nejtěžší boson, jaký byl kdy objeven. Na seminář byli pozváni fyzikové François Englert, Carl Hagen, Peter Higgs a Gerald Guralnik, kteří patří mezi „autory“ Higgsova mechanismu. Přes statistické nedostatky jsou od roku 2011 nadále pravidelně přijímána data z Velkého hadronového urychlovače. To dávalo naději na opravu nepřesných informací. Nová elementární částice objevená o rok později, která měla stejnou paritu a schopnost rozpadu jako Higgsův boson, byla v roce 2013 vystavena vážné kritice a pochybnostem. Zpracování všech nashromážděných dat však do konce sezóny vedlo k jednoznačným závěrům: nově objevená částice je bezpochyby hledaný Higgsův boson a patří do Standardního fyzikálního modelu. V roce 2013 dostali Angličan Peter Higgs a belgický občan François Englert Nobelovu cenu za fyziku za objev a doložení existence mechanismu, který umožňuje pochopit, jak a z čeho vznikají hmotnosti elementárních částic. Již dávno před tím však byly provedeny různé experimenty a pokusy objevit Higgsův boson. Již v roce 1993 začal podobný výzkum v západní Evropě s využitím síly velkého elektron-pozitronového urychlovače. Výsledky, které pořadatelé očekávali, ale nakonec plně přinést nedokázali tohoto projektu. Do studia problematiky se zapojila i ruská věda. Tedy v letech 2008-2009. Malý tým vědců JINR provedl rafinovaný výpočet hmotnosti Higgsova bosonu. Nedávno, na jaře 2015, spolupráce známé celému vědeckému světu, ATLAS a CMS, opět upravily hmotnost Higgsova bosonu, která se podle těchto informací přibližně rovná 125,09 ± 0,24 gigaelektronvoltů (GeV). .1 Některé vlastnosti Higgsova bosonu elementární částice higgsova bosonu Higgsův boson má mnoho jedinečných vlastností, které mu umožnily získat další jméno - Boží částice. Otevřené kvantum má barvu a elektrický náboj a jeho spin je ve skutečnosti nulový. To znamená, že nemá kvantovou rotaci. Boson se navíc plně účastní gravitačních reakcí a je náchylný k rozpadu na páry b-kvark a b-antikvark, fotony, elektrony a pozitrony v kombinaci s neutriny. Parametry těchto procesů však na šířku nepřesahují 17 megaelektronvoltů (MeV). Kromě výše uvedených charakteristik je Higgsova částice schopna rozpadu na leptony a W bosony. Bohužel však nejsou dostatečně dobře viditelné, což výrazně komplikuje studium, kontrolu a analýzu jevu. Avšak v těch vzácných okamžicích, kdy je bylo možné zaznamenat, bylo možné zjistit, že jsou zcela v souladu s těmi typickými pro takové případy. fyzikální modely elementární částice. Nakonec se jeho hmotnost stala známou. Životnost dosud nebyla změřena, ale protože se produkční průřez pozorované částice blíží očekávanému, můžeme předpokládat, že životnost takové částice je blízká očekávané. Očekávaná šířka Higgsova bosonu o hmotnosti 126 GeV je asi Г≈4 MeV a odpovídající životnost je 1,5 10-22 s Elektrický náboj rovna nule. jiný nejdůležitější vlastnosti, jako je rotace (očekávaná nula) a větvení (pravděpodobnosti) rozpadů prostřednictvím různých kanálů, se ještě musí změřit. V tomto ohledu existují předpovědi pro různé modely. Přesnost měření těchto parametrů je velmi důležitá, protože právě malé rozdíly vám umožní zjistit, který model odpovídá skutečnosti. .2 Jak Higgsův boson změní svět?
července 2012 potvrdili vědci ze skupiny pracující na Velkém hadronovém urychlovači (LHC) objev Higgsova bosonu, poslední elementární částice, jejíž existence před dnes nebylo prokázáno. Tento objev potvrzuje, že takzvaný standardní model, který popisuje elementární interakce probíhající v celém vesmíru, je správný. Standardní model popisuje tři ze čtyř typů základní interakce Vesmír: slabý jaderný, silný jaderný a elektronické interakce. Jednoduše řečeno, jde o omezující systém, který vysvětluje podstatu jakýchkoli interakcí ve Vesmíru – od subatomárních až po intergalaktické. Tento model byl vyvinut na základě hypotetických dat a později jej vědci experimentálně dokázali. K převedení tohoto modelu z kategorie hypotéz do kategorie fyzikálních zákonů chybělo jen potvrzení existence Higgsova pole. Nepolapitelný boson, k nelibosti vědců nazývaný také „částice Boha“, je kvantem (tedy elementární nedělitelnou částicí) Higgsova pole. Tento obor je pojmenován po britském fyzikovi Peteru Higgsovi, který předpokládal jeho existenci v roce 1964. Podle této teorie existuje ve Vesmíru pole, které nijak neovlivňuje elektromagnetické vlny, ale interaguje s jinými druhy záření. To vysvětlilo, proč se kvanta elektromagnetické interakce chovají odlišně od kvant silné a slabé jaderné interakce a nemají žádnou hmotnost. Nyní, když se vědcům podařilo detekovat elementární částici tajemného pole, mohou s jistotou tvrdit, že toto pole existuje, a to navzdory skutečnosti, že žádný z lidských šesti smyslů, dokonce ani vylepšený a rozšířený díky nejnovější technologie, necítím to. Standardní model byl prokázán a lze nyní říci, že lidstvo dosáhlo základní principy vesmíru a získali pochopení mechanismů vesmíru. Navzdory skutečnosti, že se jedná o „obrovský skok pro celé lidstvo“, není jasné, jak důležitý je pro všechny individuální osoba. Standardní model je pro fyziky jistě nezbytný další práce: Pochopení základních principů interakcí elementárních částic slouží jako základ pro jakýkoli komplexní výzkum. Ale praktická aplikace Higgsova bosonu je tento moment Ne. V každém případě objevy teprve začínají. Závěr
1.Higgsův boson je teoreticky předpovězená elementární částice, elementární boson, který nutně vzniká ve Standardním modelu díky Higgsovu mechanismu. Toto je poslední chybějící prvek moderní teorie částic. Tato hypotetická částice je zodpovědná za hmotnosti všech ostatních elementárních částic. 2.Experimenty na detekci Higgsova bosonu poskytují povzbudivé výsledky potvrzující, že takzvaný standardní model, který popisuje elementární interakce probíhající v celém vesmíru, je správný. .Vědci naznačují, že za pár desítek let díky objevu Higgsova bosonu bude možné vytvoření jakékoli formy hmoty a reprodukce řetězce vývoje Vesmíru. Moderní věda nestojí na místě, ale neustále a vytrvale se vyvíjí. Poznatky nashromážděné v dnešní fyzice a příbuzných oborech umožnily nejen předpovídat, ale ve skutečnosti také uskutečnit objev Higgsova bosonu. Ale studium jeho vlastností a označení oblastí použití získaných informací je pouze in počáteční fáze. Proto moderní fyzikové a astronomové mají ještě hodně práce a experimentů, aby studovali tuto základní částici pro vesmír. Bibliografie
1. Bogush A.A. Úvod do teorie kalibračního pole elektroslabých interakcí. - 2. vyd. - URSS, 2003. - ISBN 5-354-00436-5 2.A.I. Vainshtein, V.I. Zacharov, M.A. Shifman. Higgsovy částice // Phys. - 1980. - T. 131. - č. 8. Anselm A.A., Uraltsev N.G., Jose V.A. "Higgsovy částice". UFN svazek 145, 185-223 (1985). Http://elementy.ru/LHC/LHC/tasks/higgs Http://postnauka.ru/longreads http://www.astronet.ru/db/msg/1176523
V předchozí kapitole jsme se začali zabývat zvláštní pravidla, podél kterého dochází k interferenci v procesech se dvěma stejnými částicemi. Uvažujeme shodné částice, které stejně jako elektrony od sebe nelze odlišit. Pokud jsou v procesu dvě identické částice, pak nahrazení té, která se otočila k pultu, jinou je nerozlišitelná alternativa, která jako ve všech případech nerozlišitelných alternativ zasahuje do původního případu, kdy k výměně nedošlo. Amplituda události je pak součtem dvou interferujících amplitud a je významné, že v některých případech k interferenci dochází ve fázi a v jiných v protifázi.
Představme si, že se dvě částice srazí a částice se rozptýlí ve směru 1 a částice se rozptýlí ve směru 2 (obr. 2.1, a). Nechť existuje amplituda tohoto procesu; pak pravděpodobnost pozorování takové události je úměrná . Samozřejmě se mohlo stát, že se částice rozptýlila do čítače 1 a částice přešla do čítače 2 (obr. 2.1, b). Pokud předpokládáme, že v experimentu neexistují žádné speciální směry určené spinem nebo něčím podobným, pak lze pravděpodobnost této události jednoduše zapsat ve tvaru , protože tento proces je jednoduše ekvivalentní prvnímu procesu, ve kterém byl čítač 1 umístěn na úhel. A možná si myslíte, že amplituda druhého procesu je jednoduše /. Ale to nemusí nutně platit, protože může mít libovolný fázový multiplikátor. Jinými slovy, amplituda by mohla být tato:
Obrázek 2.1. Když jsou dvě stejné částice rozptýleny, procesy a jsou nerozlišitelné.
Koneckonců, taková amplituda stále vede k pravděpodobnosti rovné .
Podívejme se nyní, co se stane, pokud se ukáže, že částice jsou totožné. Pak dva různé procesy zobrazené ve dvou částech Obr. 2.1 již od sebe nelze odlišit. Existuje amplituda toho, co nebo zasáhne počítadlo, zatímco zbývající částice zasáhne počítadlo. Tato amplituda je součtem amplitud dvou procesů znázorněných na Obr. 2.1.
Pokud označíme první, pak druhý bude , a nyní je velmi důležitý fázový faktor, protože budeme sčítat amplitudy. Předpokládejme, že jsme povinni vynásobit amplitudu nějakým fázovým faktorem, kdykoli si dvě částice vymění role. Pokud je znovu vymění, objeví se znovu násobitel. Zároveň se ale opět vrátíme k prvnímu procesu. Fázový faktor, vzat dvakrát, by nás měl vrátit tam, kde jsme začali - jeho čtverec by měl být rovný jedné. Jsou pouze dvě možnosti: rovno buď nebo. Výsledkem výměny je příspěvek k amplitudě se stejným znaménkem nebo příspěvek s opačným znaménkem. A oba případy se v přírodě vyskytují, každý pro svou vlastní třídu částic. Částice, které interferují s kladným znaménkem, se nazývají částice Bose a ty, které interferují s kladným znaménkem, se nazývají Fermiho částice. Fermiho částice jsou elektron, mion, neutrina, nukleony a baryony. Proto má rozptylová amplituda identických částic tvar pro částice Bose:
pro Fermiho částice:
Pro částice se spinem (řekněme elektrony) vzniká další komplikace. Je nutné označit nejen umístění částic, ale také směr jejich rotací. Pouze v případě, kdy jsou částice shodné a jejich spinové stavy jsou také shodné, pak amplitudy interferují při výměně částic. A pokud vás zajímá rozptyl nepolarizovaných paprsků, které jsou směsí různých spinových stavů, pak jsou potřeba výpočty nad rámec tohoto.
Zajímavý problém nastává, když existují dvě nebo více těsně vázaných částic. Například -částice obsahuje čtyři částice: dva neutrony a dva protony. A když se dvě částice rozptýlí, může se naskytnout několik možností. Může se stát, že při rozptylu se ukáže konečná amplituda, že jeden z neutronů přeskočí z jedné částice na druhou a neutron z jiné částice se přesune na první, takže dvě částice se po rozptylu ukáží jako nikoli původní částice - došlo k výměně dvojice neutronů (obr. 2.2). Amplituda rozptylu s výměnou páru neutronů bude interferovat s amplitudou rozptylu bez takovéto výměny a interference musí mít znaménko mínus, protože došlo k výměně Fermiho částic. Na druhou stranu, pokud je relativní energie dvou částic tak malá, že jsou od sebe relativně daleko (řekněme v důsledku Coulombova odpuzování) a pravděpodobnost výměny jakýchkoli vnitřních částic se ukáže jako zanedbatelná, v tomto případě - částici lze považovat za nejjednodušší objekt, aniž bychom přemýšleli o detailech jeho vnitřní struktury. Za těchto podmínek bude amplituda rozptylu zahrnovat pouze dva členy. Buď nedochází k žádné výměně, nebo při rozptylu dochází k výměně všech čtyř nukleonů. Protože protony i neutrony v částici jsou Fermiho částice, výměna obou párů změní znaménko amplitudy rozptylu. Dokud nedochází k žádným změnám uvnitř -částic, znamená výměna dvou -částic totéž jako výměna čtyř párů Fermiho částic. Každý pár změní znaménko a v důsledku toho se amplitudy sčítají se znaménkem plus. Takže -částice se chová jako Bose částice.
Obrázek 2.2. Rozptyl dvou částic.
a - obě částice si zachovávají svou individualitu; b - při rozptylu dochází k výměně neutronů.
Platí tedy pravidlo, že složité objekty se za okolností, kdy je lze považovat za nedělitelné objekty, chovají jako částice Bose nebo Fermi, podle toho, zda obsahují sudý nebo lichý počet Fermiho částic.
Všechny elementární Fermiho částice, které jsme zmínili (jako elektron, proton, neutron atd.), mají spin. Pokud se vytvoří několik takových Fermiho částic komplexní objekt, jejich společný spin může být buď celé číslo, nebo poloviční celé číslo. Například nejběžnější izotop helia, ve kterém jsou dva protony a dva neutrony, má spin nula a ve kterém jsou tři protony a čtyři neutrony, je spin roven. Později se naučíme pravidla pro sčítání momentu hybnosti, ale prozatím si jednoduše všimneme, že každý komplexní objekt s poloceločíselným spinem napodobuje příhradovou částici, zatímco každý komplexní objekt s celočíselným spinem napodobuje Boseho částici.
Zajímalo by mě, proč se to děje? Proč jsou částice s polocelým spinem Fermiho částice, jejichž amplitudy se sčítají se znaménkem mínus, a částice s celočíselným spinem jsou částice Bose, jejichž amplitudy se sčítají s kladným znaménkem? Omlouváme se, že vám to nejsme schopni základním způsobem vysvětlit. Ale podle Pauliho existuje vysvětlení, založené na složitých argumentech kvantové teorie pole a teorie relativity. Ukázal, že tyto skutečnosti spolu nutně souvisí; ale nejsme schopni najít způsob, jak reprodukovat jeho argumenty na elementární úrovni. Toto je zřejmě jedno z mála míst ve fyzice, kde je pravidlo formulováno velmi jednoduše, i když stejně jednoduché vysvětlení nebyl nalezen. Vysvětlení je hluboce zakořeněno v relativistické kvantové mechanice. Zdá se, že to znamená, že úplně nerozumíme základnímu principu. Zatím to budeme považovat za jeden ze zákonů Vesmíru.
