МЕТРІЯ ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

МЕТРІЯ ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Інфометрія вивчає математичні, статистичні методи і моделі та їхнє використання для кількісного аналізу структури і особливостей наукової інформації, закономірностей процесів наукової комунікації, включаючи виявлення самих цих закономірностей. Характерною особливістю інформетрії є те, що її основна мета — здобуття наукового знання безпосередньо з інформації. Мета інформетрії полягає у вимірюванні діяльності науково-технічної інформації, поєднання інформації дозволяє розробляти кількісні показники (розмір) використання науково-технічних інформаційних заходів. Використовує для цієї мети математичні та статистичні методи.Термін був вперше представлений професором Отто Накке у Німеччині у 1979 році.

Метрія

Метрія, частина слів, відповідна за значенням слову «вимір» (наприклад, геометрія, фотометрія)Метрія – це напрям науки на стику до прикладної математики досліджується як складна система. Метрія є однією з найактуальніших проблем сучасності. Деякі дослідники взагалі вважають, що метрія- проблема століття. За будь-яких підходів та оцінок однозначно одне метрія - є проблемою, розв’язання якої для багатьох є актуальною справою. Це явище впливає на різні сторони суспільного життя: економіку, політику, управління, соціальну сфери, громадську свідомість, відносини. Головним питанням, яке не має на сьогодні чіткого і однозначного вирішення, є питання щодо визначення поняття метрія. У широко вживаний термін метрія різними авторами вкладається найрізноманітніший зміст, починаючи від загальних формулювань, які не містять конкретних ознак. Не з’ясовано також, чи можливо дати універсальне поняття метрії, яке б відповідало вимогам різних галузей науки. Разом з тим поняття метрія дає можливість визначити, а також наповнити конкретним змістом зазначений термін.До числа не вирішених питань метрії, які мають важливе теоретичне і практичне значення, відноситься і питання про шкалу. З’ясування цього питання дозволить більш глибоко і точно визначити сутність.

Розглянуті сучасні наукометричні засоби збирання, обробки та візуалізації статистичних даних iз метою кількісної оцінки публікаційної активності вчених університетів, що сприятиме: 1) упровадженню нових аналітичних інструментаріїв для підвищення рівня знань в інформетрії та наукометрії; 2) розробці, підготовці й проведенню спеціальних навчально-методичних і практичних курсів й тренінгів iз питань метрик для науковців, студентства й фахівців бібліотеки університетів; 3) прискоренню прийняття рішень при формуванні внутрішньоуніверситетських локальних ресурсів за допомогою доступних аналітичних програмних продуктів, модулів проведення моніторингу публікаційної активності науково-педагогічних кадрів; 4) ресурсноорганізаційній участі університетів у національній системі цитувань. Проаналізовано використання метричних показників оцінювання ефективності наукових досліджень, таких як індекс Хірша та імпакт-фактор журналу та альтернативних метрик. Запропоновано, для сприяння незалежності та об’єктивності експертного оцінювання результативності дослідницької діяльності, спільне використання традиційних метричних показників з альтернативними метриками. Наведено необхідність застосування математичних методів в дослідженні соціального капіталу, досліджено можливості і переваги економіко-математичних методів і моделей у вирішенні практичних проблем. Доведено, що широке використання математичних методів є важливим напрямком удосконалення аналізу різних сфер національної економіки, який підвищує ефективність діяльності процесів в суспільстві. Основними причинами швидкого поширення методів економіко-математичного моделювання є постійне ускладнення сучасної економічної практики. Вдосконалено визначення понять модель, моделювання; наведено переваги та недоліки різних методів математичного моделювання і основні напрямки використання економіко-математичних моделей в дослідженнях соціального капіталу аграрної сфери.

Ключові слова: наукометрія, метрія, метричні показники, кваліметричний моніторинг, інформетрія, альтернативні метрики, моделі, методи, математичні методи, моделювання.

По мірі проникнення в глибину мікросвіту змінювалося саме поняття елементарності і сьогодні ми вже не можемо відповісти на питання чи взагалі існують елементарні частинки в тому змісті, який ототожнюється з неподільністю. Після відкриття елементарного електричного заряду (електрона) стало зрозуміло, що атоми взагалі не виправдовують своєї назви (адже грецькою «атом – неподільний») і мають складну структуру. Елементарна частинка — збірний термін, що стосується мікрооб'єктів в суб'ядерному масштабі, які неможливо розщепити на складові частини. Їх будова й поведінка вивчається фізикою елементарних частинок. Поняття елементарних частинок ґрунтується на факті дискретної будови речовини. Низка елементарних частинок має складну внутрішню структуру, проте розділити їх на частини неможливо. Інші елементарні частинки є безструктурні й можуть вважатися первинними фундаментальними частинками. Блискучі досліди Резерфорда щодо розсіювання -частинок призвели до планетарної будови атома, згідно якої вся маса атома і весь його позитивний заряд зосереджений в крихітному ядрі, яке складається з протонів і нейтронів. Протони виявилися стабільними частинками тоді як вільні нейтрони майже стабільні: вони живуть неймовірно довго порівняно з ядерними масштабами – 30 хвилин, але врешті розпадаються на протон, нейтрон і антинейтрино. В процесі дослідження космічних променів був відкритий антиелектронпозитрон. Пізніше елементарними частинками стали називати всі частинки, які живуть довго порівняно з характерним ядерним життям (10-2310-24 с).

Елементарні частинки

Елементарні частинки — найдрібніші суб'ядерні частинки речовини або фізичного поля. Це дискретні структурні елементи, що можуть існувати в неасоційованому стані. Найхарактернішою особливістю елементарних частинок є їхня здатність до перетворень і взаємодії. При цьому дочірні частинки — це не структурні складові материнських, вони народжуються при актах перетворення. За властивостями елементарні частинки поділяють на такі групи: фотони, лептони, мезони й баріони (нуклони й гіперони).Майже всі елементарні частинки нестабільні (за винятком електрона, протона, нейтрона, нейтрино, фотона). Основні характеристики елементарних частинок: електричний заряд, маса, тривалість життя, спін, магнітний момент, лептонний і баріонний заряди, ізотопічний спін, дивність, чарівність.Починаючи з 1932 року було відкрито понад 500 елементарних частинок, і це число зростає й надалі.Дослідження останніх десятиліть ХХ ст. показали відносність вживання терміну «елементарні» до ряду частинок. Зокрема виявлено внутрішню структуру протона, нейтрона, інших частинок. Вони складаються з кварків, пар «кварк-антикварк» та глюонів. В свою чергу кварки, можливо, теж мають свою структуру, хоча на сучасному рівні знань вони є фундаментальними складовими адронів.Сучасний нам набір елементарних частинок можливо не був таким протягом всього існування Всесвіту. Є теорія, що на самому початку розвитку Всесвіту існували частинки-прабатьки, так звані преони. Прямими «нащадками» преонів стали кварки і лептони.

З цієї точки зору до елементарних частинок слід віднести: протон, нейтрон, електрон, фотон, -мезон, позитивний і негативний -мезони – мюони (які живуть біля міліонної долі секунди і розпадаються на електрон і позитрон), нейтрино трьох типів, «дивні частинки» (К-мезони, гіперони), «зачаровані частинки», ілон-частинки, «красиві» частинки – всього понад 350 частинок, які в основному нестабільні. Їх число продовжує рости і, найбільш ймовірно, необмежене. У більшості елементарних частинок маси не перевищують 1,610-24 г, а розміри - порядку 10-13 см. Мікроскопічні розміри і маси елементарних частинок зумовлюють квантову специфіку їх поведінки. Найбільш важлива квантова властивість всіх елементарних частинок – народжуватися і знищуватися при взаємодії з іншими частинками. Всі процеси з елементарними частинками відбуваються через послідовність актів їх поглинання і випромінювання. Різноманітні процеси з елементарними частинками відрізняються по інтенсивності протікання і, в зв’язку з цим, взаємодію елементарних частинок ділять на класи: сильна, електромагнітна і слабка. Сильна взаємодія викликає процеси з високою інтенсивністю, в основі електромагнітної взаємодії лежить зв'язок елементарних частинок з електромагнітним полем, це порівняно менш інтенсивні процеси. Слабка взаємодія викликає повільно протікаючі процеси, в тому числі розпади квазістабільних елементарних частинок, час життя яких становить 10-6 10- 14 с. В залежності від участі в тих чи інших видах взаємодій елементарні частинки (за винятком фотона) поділяються на адрони і лептони. Адрони характеризуються наявністю сильної взаємодії, не виключаючи з електромагнітну і слабку, а лептони беруть участь тільки в електромагнітних і слабких взаємодіях. Елементарні частинки це основні «дослідники» таємниць будови матерії. В молекулярній і атомній фізиці для цього достатньо частинок з енергією порядку декількох еВ), тоді як для структури атомних ядер потрібні частинки з енергіями в міліони еВ. Щоб дістати елементарні частинки високих енергій використовують прискорювачі, які власне і прискорюють ту чи іншу елементарну частинку до високої енергії. Всі методи прискорення частинок основані на існуванні у них електричного заряду, електронейтральні частинки прискорити неможливо. Практично у всіх прискорювачах застосовуються електрони і протони, так як вони стабільні і, на противагу позитрона чи антипротона, в необмеженій кількості наявні в оточуючій нас матерії. Електромагнітна взаємодія елементарних частинок вивчена краще інших. Ефекти обумовлені саме такими взаємодіями широко використовуються і нікого не дивують. На них заснована робота багатьох побутових приладів починаючи від звичайної праски до телевізора. Що стосується слабкої взаємодії, то відома тільки одна частинка, яка взаємодіє з усіма останніми дуже слабо – нейтрино. Очевидно для вивчення слабких взаємодій потрібен пучок нейтрино, але на відміну від протонів і електронів, нейтрино немає у складі речовини, тому нейтринний пучок може бути тільки вторинним, тобто виникати в результаті якихось первинних реакцій між частинками речовини, і в цьому полягає трудність вивчення слабких взаємодій. Якось великий фізик Альберт Ейнштейн сказав, що на його думку, одного факту існування електрона достатньо для побудови теорії елементарних частинок. А поки, підсумовуючи все викладене, приходимо до висновку, що перед сучасною фізикою елементарних частинок стоїть непочатий край проблем, багато з яких навіть ясно не сформульовані, адже дотепер не вдається чітко сформулювати саме поняття елементарної частинки і з єдиної точки зору описати їх взаємодію. За величиною спіну всі елементарні частинки поділяють на два класи:ферміони — частинки з напівцілим спіном (наприклад, електрон, протон, нейтрон, нейтрино);бозони — частинки з цілим спіном (наприклад, фотон).

За видами взаємодій елементарні частинки поділяють на такі групи:адрони — частинки, що беруть участь у всіх видах фундаментальних взаємодій. Вони складаються з кварків і поділяються, у свою чергу, на:мезони (адрони з цілим спіном, тобто бозони);баріони (адрони з напівцілим спіном, тобто ферміони). До них, зокрема, відносяться частинки, що становлять ядро атома, — протон і нейтрон.Лептони — ферміони, які мають вид точкових частинок (тобто, що не складаються ні з чого) аж до масштабів порядку 10−18 м. Не беруть участь в сильних взаємодіях. Участь в електромагнітних взаємодіях експериментально спостерігалася тільки для заряджених лептонів (електрони, мюони, тау-лептони) і не спостерігалася для нейтрино. Відомі 6 типів лептонів.Кварки — дробовозаряджені частинки, що входять до складу адронів. У вільному стані не спостерігалися. Як і лептони, діляться на 6 типів і є безструктурними, проте, на відміну від лептонів, беруть участь у сильній взаємодії.

Калібрувальні бозони — частинки, за допомогою обміну якими здійснюються взаємодії:фотон — частинка, що переносить електромагнітну взаємодію;вісім глюонів — частинки, що переносять сильну взаємодію;три проміжні векторні бозони W+, W- і Z0, що переносять слабку взаємодію;гравітон — частинка, що переносить гравітаційну взаємодію. Існування гравітонів, хоча поки не доведено експериментально, у зв'язку зі слабкістю гравітаційної взаємодії, вважається цілком імовірним.Адрони і лептони утворюють речовину. Калібрувальні бозони — кванти різних видів випромінення.Крім того, в Стандартній моделі з необхідності присутній бозон Хіггса, про відкриття якого було оголошено 4 липня 2012 року.Спочатку термін «елементарна частинка» мав на увазі щось абсолютно елементарне, першоцеглинка матерії. Проте, коли в 1950-х і 1960-х роках були відкриті сотні адронів зі схожими властивостями, стало ясно, що принаймні адрони мають внутрішні ступені вільності, тобто не є в строгому значенні слова елементарними. Ця підозра надалі підтвердилася, коли з'ясувалося, що адрони складаються з кварків. Ізотопічний спін або ізоспін — квантове число, що дозволяє трактувати елементарні частинки із близькими значеннями мас і схожими властивостями щодо взаємодії, як стани однієї спільної родинної частинки.Ізотопічний спін позначається зазвичай літерою I.

Наприклад, близькі за масою протон і нейтрон утворюють дублет станів нуклона. Ізотопічний спін для дублета дорівнює 1/2. При цьому протону приписується проєкція ізотопічного спіну +1/2, а нейтрону –1/2.Відповідним чином піони складають триплет, а тому ізотопічний спін для них дорівнює 1: позитивному піону приписується проєкція +1, нейтральному 0, а негативному –1.Загалом ізотопічний спін описується оператором, аналогічним оператору спіна, який діє в уявному ізотопічному просторі. Якби частинки взаємодіяли тільки через сильну взаємодію, то напрямок координатних осей у цьому просторі жодним чином не був би зв'язаний із будь-якою іншою характеристикою. Коли окрім сильної взаємодії присутня ще й електромагнітна взаємодія, то енергія частинки змінюється. Проєкція одної із компонент ізотопічного спіна на вибраний напрямок у ізотопічному просторі залежить від заряду частинки. Саме тому протон має проєкцію ізотопічного спіна 1/2, а нейтрон –1/2. Поняття ізоспіна запровадив Вернер Гайзенберг у 1932 році для пояснення однакової поведінки нейтрона та протона у сильних взаємодіях. У певній комбінації кварків, третя компонента вектора ізоспіна (I3) може бути або співнаправленою для обох кварків, або бути направленою в протилежні боки, таким чином визначаючи значення повного ізоспіна адрона. Адрони з однаковим кварковим складом але різним значенням ізоспіна (тобто, напрямом сумарного вектора ізоспіна) мають різні властивості.

Наприклад, s-кварк, разом з u- та d-кварками можуть сформувати баріон, причому є два різних способи комбінації ізоспіна в такому баріоні. Вектори ізоспіну u- та d-кварків можуть бути або співнаправленими або направленими в протилежні боки, утворюючи у підсумку баріон з ізоспіном 1 або 0. Стан з ізоспіном 1 ( -гіперон) та стан з ізоспіном 0 ( -гіперон) мають різні маси та різний час життя. Номенклатура легких адронів історично побудована навколо ізоспіна. Адрони зі значенням повного ізоспіна 3⁄2 називаються дельта-баріони та є будь-якою комбінацією трьох u- та (або) d-кварків (але лише цих кварків).Адрони зі значенням повного ізоспіна 1 можуть мати два u-кварки, або два d-кварки, або один u-кварк та один d-кварк:деякі мезони — залежно від значення спіна, піони (спін 0), або ро-мезони (спін 1);баріони, з додатковим кварком (s, c або b) — сигма-баріони.Адрони зі значенням повного ізоспіна 1⁄2 можуть складатися з:одного u-кварка або одного d-кварка, разом з другим s, c або b кварком — дивні (каони) мезони, зачаровані (D-мезони), або красиві (B-мезони);одного u-кварка або одного d-кварка, разом з двома додатковими s, c або b кварками — ксі-баріони;одного u-кварка, одного d-кварка, та ще одного u- або d-кварка — нуклони. Однак, баріони з трьома ідентичними кварками, що перебувають в основному (не збудженому) стані, не можуть мати ізоспін 1/2 за принципом заборони Паулі через те, що загальна хвильова функція баріона має бути антисиметричною. Адрони зі значенням повного ізоспіна 0 можуть складатися з:одного u-кварка та одного d-кварка — ета-мезони;одного u-кварка та одного d-кварка, з додатковим s, c або b кварком — лямбда-баріони;винятково s, c або b кварків — омега-баріони, фі-мезон, кварконій, тощо.

Таким чином, наука просунулася ще трошки вглиб будови речовини: найелементарнішими, точковими частинами речовини зараз вважаються лептони і кварки. Саме щодо них (разом із калібрувальними бозонами) застосовується термін фундаментальні частинки.

Литература

Лоуренс Краусс. Почему мы существуем. Величайшая из когда-либо рассказанных историй Krauss. The Greatest Story Ever Told - So Far: Why Are We Here?. — М.: Альпина Нон-фикшн, 2018.

Каденко І. М., Плюйко В. А. Фізика атомного ядра та частинок. — К. : ВПЦ "Київський університет", 2008. — 414 с.

Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. — М. : Мир, 1979. — 736 с.