1. Элементарные частицы - это микрообъекты, размеры которых не превышают размеров атомных ядер. К элементарным частицам относятся протоны, нейтроны, электро­ны, мезоны, нейтрино, фотоны и др.

Выражение элементарные частицы не следует понимать как бесструктурные части­цы, не способные к превращениям. Содержание любого научного термина по мере развития науки постепенно уходит от его этимологии. Так, атом оставался в представлениях людей неделимым вплоть до возникновения в начале XIX в. химической атомистики, В современ­ном научном знании атом - это сложная динамическая система, способная к многообразным перестройкам. Так и элементарные частицы по мере открытия их новых свойств обнаружи­вают все более сложную их структуру.

Наиболее важным свойством элементарных частиц является их способность рож­даться и взаимопревращаться друг в друга при столкновениях. Для протекания таких про­цессов необходимо, чтобы сталкивающиеся частицы обладали большой энергией. Поэтому физику элементарных частиц называют также физикой высоких энергий.

По времени жизни все элементарные частицы делятся на три группы: стабильные, не­стабильные и резонансы.

Стабильные частицы существуют в свободном состоянии неограниченно долго Та­ких частиц всего 11: протон р, электрон е, электронное нейтрино ν 0 , мюонное нейтрино νμ , таонное нейтрино ντ , их античастицы р, е, ν e , νμ, ντ, и плюс фотон γ. Опытные факты спон­танного распада этих частиц пока неизвестны.

Нестабильные частицы имеют среднее время жизни τ. которое очень велико по сравнению с характерным временем ядерного пролёта 10 -23 с (времени прохождения светом поперечника ядер). Например, у нейтрона τ =16 мин, у мюона τ=10 -6 с, у наряженного пиона τ= 10 -8 с, у гиперонов и каонов τ=10 -4 с.

Резонансы имеют времена жизни, соизмеримые с пролётным временем 10 -23 с. Регистрируются они по резонансам на кривых зависимости сечений реакции от энергии. Многие резонансы толкуются как возбужденные состояния нуклонов и других частиц.

2. Фундаментальные взаимодействия . Вес многообразие взаимодействий, наблюдающихся между элементарными частицами и в природе в целом, сводится к 4 основным ти­пам: сильному, электромагнитному, слабому и гравитационному. Сильное взаимодействие удерживает нуклоны в атомных ядрах и присуще адронам (протонам, нейтронам, мезонам, гиперонам и др.). К электромагнитному сводятся взаимодействия, проявляющиеся на макро­уровне- упругие, вязкие, молекулярные, химические и др. Слабые взаимодействия вызыва­ют β -распад ядер и наряду с электромагнитными силами управляют поведением пептонов -элементарных частиц с полуцелым спином, не участвующих в сильных взаимодействиях. Гравитационное взаимодействие присуще всем материальным объектам.

Сравнивают фундаментальные взаимодействия между собой но их интенсивности. Однозначного определения этого понятия и метода сравнения интенсивностей нет. Поэтому используются сравнения по совокупности явлений.

Например, отношение силы гравитационного притяжения между двумя протонами к силе кулоновского отталкивания составляет G (m p m p /r 2) /(e 2 /4πε 0 r 2) = 4πε 0 G(m p 2 /e 2) =10 -36 . Это число и берется в качестве меры отношения гравитационного и электромагнитного взаимодействий.

Соотношение между сильным и электромагнитным взаимодействиями, определяемое по сечениям и энергиям ядерных реакций, оценивается как 10 4: 1. Подобным же образом сравниваются интенсивности сильного и слабого взаимодействий.

Наряду с интенсивностью в качестве меры сравнения взаимодействий используют также время и расстояние взаимодействия. Обычно для сравнения времен берут скорости процессов при кинетических энергиях сталкивающихся частиц Е= 1 ГэВ. При таких энерги­ях процессы, вызываемые сильными взаимодействиями, совершаются за время ядерного пролёта 10 -23 с, процессы, вызываемые электромагнитными взаимодействиями, - за время порядка 10 -19 с, слабыми - за время порядка 10 -9 с, гравитационными - 10 +16 с.

B качестве расстояний для сравнения взаимодействий берут обычно длину свободно­го пробега частицы в веществе. Сильно взаимодействующие частицы с Е= 1 ГэВ задержи­ваются слоем тяжёлого металла толщиной до 1 м. Тогда как нейтрино, способное участво­вать только в слабом взаимодействии, при энергии в 100 раз меньше (Е= 10 МэВ) может за­держаться слоем 10 9 км!

а. Сильное взаимодействие не только самое интенсивное, но и самое короткодействующее в природе. На расстояниях, превышающих 10 -15 м, его роль становится ничтожной. Обеспечивая стабильность ядер, это взаимодействие не влияет практически на атомные явления. Сильное взаимодействие не универсально. Оно присуще не всем частицам, а только адронам - нуклонам, мезонам, гиперонам и др. Существуют частицы - фотоны, электроны, мюоны, нейтрино, не подверженные сильному взаимодействию и не рождающиеся за его счёт при столкновениях.

б. Электромагнитное взаимодействие по интенсивности на 4 порядка уступает сильному. Главной областью его проявления являются расстояния, начиная от поперечника ядра 10 -15 м и вплоть примерно до 1 м. Сюда входят структура атомов, молекул, кристаллов, химические реакции, деформации, трение, свет, радиоволны и многие другие физические явления, доступные восприятию человека.

Наиболее сильно электромагнитное взаимодействие у электрически заряженных час­тиц. У нейтральных частиц с ненулевым спином оно проявляется слабее и лишь благодаря тому, что такие частицы имеют магнитный момент порядка М=eћ/2m. Ещё слабее электромагнитное взаимодействие проявляется у нейтральных пионов π 0 и у нейтрино.

Исключительно важным свойством ЭМ-взаимодействия является наличие как отталкивания между одноимённо заряженными, так и притяжения между разноименно заряжен­ными частицами. Благодаря этому ЭМ-взаимодействие между атомами и любыми другими объектами с нулевым суммарным зарядом имеет относительно короткий радиус действия, хотя кулоновские силы между заряженными частицами являются дальнодействующими.

е. Слабое взаимодействие ничтожно мало по сравнению с сильным и электромагнит­ным. Но с уменьшением расстояний оно стремительно нарастает. Если допустить, что дина­мика нарастания сохраняется достаточно глубоко, то при расстояниях порядка 10 -20 м слабое взаимодействие сравняется с сильным. Но экспериментальному исследованию такие рас­стояния пока недоступны.

Слабое взаимодействие обуславливает некоторые процессы взаимопревращений час­тиц. Например, частица сигма - плюс - гиперон только под влиянием слабого взаимодейст­вия распадается на протон и нейтральный пион, Σ + => р + π 0 . Благодаря слабому взаимодей­ствию идетβ - распад. Такие частицы как гипероны, каоны, мюоны при отсутствии слабого взаимодействия были бы стабильными.

г. Гравитационное взаимодействие самое слабое. Но оно характерно дальнодейст­вием, абсолютной универсальностью (гравитируют все тела) и одинаковым знаком между любой парой частиц. Последнее свойство приводит к тому, что гравитационные силы всегда растут с увеличением массы тел. Поэтому гравитация, несмотря на всё ничтожную относи­тельную интенсивность, во взаимодействиях космических тел - планет, звёзд, галактик -приобретает решающую роль

В мире элементарных частиц роль гравитации ничтожна. Поэтому в физике атома, яд­ра и элементарных частиц гравитационное взаимодействие не принимается во внимание.

3. Характеристики элементарных частиц . До начала 50-х годов XX в., пока коли­чество открытых частиц было относительно невелико, для описания частиц использовались общефизические величины - масса m, кинетическая энергия Е, импульс р и одно квантовое число - спин s, позволявший судить о величине механического и магнитного моментов час­тицы. Для нестабильных частиц добавлялось сюда ещё среднее время жизни τ.

Но постепенно в закономерностях рождений и распада определённых частиц удава­лось выделить некоторые признаки, специфические для этих частиц. Для обозначения этих свойств пришлось вводить новые квантовые числа. Некоторые из них были названы заряда­ми.

Например, выяснилось, что при распаде тяжёлых частиц, например, нейтрона, нико­гда не бывает так, чтобы образовались одни лёгкие, например, электроны е - , е + и нейтрино. И наоборот, при столкновении электронов и позитронов нельзя получить нейтрон, хотя зако­ны сохранения энергии и импульса выполняются. Для отражения этой закономерности было введено квантовое число барионныи заряд В. Стали полагать, что у таких тяжёлых частиц -бариоиов В = 1, у их античастиц В =-1. У лёгких частиц B = 0. В результате открытая зако­номерность приняла форму закона сохранения барионного заряда.

Аналогично для лёгких частиц эмпирически были введены квантовые числа - лептонные заряды L - признаки запретности некоторых превращений. Условились Считать, что лептонные заряды L е = +1 для электронов е - и электронных нейтрино ν e ,L µ = + 1 для отрица­тельных мюонов µ - и мюонных нейтрино ν µ ,L τ = +1 для отрицательных таонов τ - и таонных нейтрино v τ . Для соответствующих античастиц L= -1. Как и барионныи, лептонные заряды сохраняются во всех взаимодействиях.

При открытии гиперонов, рождающихся в сильных взаимодействиях, оказалось, что их время жизни не равно времени пролёта 10 -23 с, что характерно для сильно взаимодейст­вующих частиц, а в 10 13 раз больше. Это представлялось неожиданным и странным и могло быть объяснено лишь тем, что частицы, родившиеся в сильных взаимодействиях, распадают­ся в слабых взаимодействиях. Для отражения такого свойства частиц ввели квантовое число странность S. У странных частицS = + 1, у их античастиц S=- 1, у других частиц S = 0.

Электрический заряд Q микрочастиц выражается через его отношение к положитель­ному элементарному заряду е + . Поэтому электрический заряд Q частиц также целочислен­ное квантовое число. У протона Q = + 1, у электрона Q = -1, у нейтрона, нейтрино и других нейтральных частицQ = 0.

Кроме названных параметров элементарные частицы имеют и другие характеристи­ки, которые здесь не рассматриваются.

4. Законы сохранения в физике элементарных частиц можно разделить на три труппы: всеобщие законы сохранения, точные законы сохранения зарядов и приближённые законы сохранения.

а. Всеобщие законы сохранения выполняются точно независимо от масштаба явле­ний - в микро-, макро- и мегамире. Эти законы вытекают из геометрии пространства - вре­мени. Однородность времени приводит к закону сохранения энергии, однородность про­странства - к закону сохранения импульса, изотропность пространства - к закону сохранения момента импульса, равноправие ИСО - к закону сохранения центра инерции. Кроме этих 4-х законов сюда входят ещё два, связанные с симметрией пространства - времени относитель­но зеркальных отражений координатных осей. Из зеркальной симметрии координатных осей следует, что право-левые симметрии пространства тождественны (закон сохранения чёт­ности). Закон, связанный с зеркальной симметрией времени, говорит о тождественности явлений в микромире относительно изменения знака времени.

б. Точные законы сохранения зарядов . Любой физической системе приписывается целочисленный заряд каждого сорта. Каждый заряд аддитивен и сохраняется. Таких заря­дов 5: электрический Q, барионныи В, три леигонных - электронный L e , мюониый L µ тон­ный L τ . Все заряды целочисленны и могут иметь как положительные, так и отрицательные значения в нуль.

Электрический заряд имеет двойное значение. Он представляет собой не только квантовое число, но и является источником силового поля. Барионный и лептонные заряды не являются источниками силового поля. Для сложной системы полный заряд любого сорта ра­вен сумме соответствующих зарядов входящих в систему элементарных частиц.

в. Приближённые законы сохранения выполняются лишь в некоторых видах фундаментальных взаимодействий. Они относятся к таким характеристикам, как странность S и др.

Все перечисленные законы сохранения сведены в таблицу 26.2.

5. Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, но все заряды у них противо­положны Выбор из пары частицы и античастицы произволен. Например, в паре электрон + позитрон договорились считать электрон е - частицей, а позитрон е + - античастицей. Заряды электрона Q =-1, В = 0, Le = +1, Lµ= 0,Lτ =0. Заряды позитрона Q = +1, В = 0, Le=-1, Lµ= 0,Lτ =0

Все заряды системы частица + античастица равны нулю. Такие системы, у которых все заряды равны нулю, называются истинно нейтральными. Есть истинно нейтральные и частицы. Их две: γ - квант (фотон) и η - мезон. Частицы и античастицы здесь тождественны.

6. Классификация элементарных частиц не завершена до сих пор. В основу одной из классификаций в настоящее время положены среднее время жизни τ, масса m, спин s, пять видов зарядов, странность S и другие параметры частиц. Все частицы делятся на 4 класса.

1- й класс образует одна частица - фотон. У фотона равны нулю масса покоя и все за­ряды. Фотон-не подвержен сильным взаимодействиям. Его спин равен 1, то есть по статисти­ке он бозон.

2- й класс образуют лептоны. Это легкие частицы с нулевым барионным зарядом. У каждой частицы - лептопа один из лентонных зарядов не равен нулю. Лептоны не подверже­ны сильным взаимодействиям. Спин всех лептонов 1/2, то есть по статистике они фермионы.

3- й класс образуют мезоны. Это частицы с нулевыми барионным и лептонными заря­дами, участвующие в сильных взаимодействиях. Все мезоны имеют целый спин, то есть по статистике они бозоны.

4- й класс составляют барионы. Это тяжёлые частицы с отличным от нуля барионным зарядом В ≠ О и с нулевыми лептонными, Le,Lµ,Lτ = 0. Они имеют полуцелый спин (фермио­ны) и участвуют в сильных взаимодействиях. По способности частиц 3-го и 4-го классов участвовать в сильных взаимодействиях их называют еще адронами.

В таблице 26. 3 приведены хорошо известные частицы - не резонансы с их основными характеристиками. Приведены частицы и античастицы. Истинно нейтральные частицы, не имеющие античастиц, помещены посредине столбца. Названия приведены только для час­тиц. Соответствующая античастица получается просто прибавлением к названию Частицы приставки «анти». Например, протон - антипротон, нейтрон - антинейтрон.

Антиэлектрон е + имеет исторически сложившееся название позитрон. По отношению к заряженным пионам и каонам термин «античастица» практически не применяется. Они от­личаются лишь Электрическим зарядом.Поэтому просто говорят о положительных или от­рицательных пионах и каонах.

Верхний знак заряда относится к частице, нижний к античастице. Например, для пары электрон - позитрон Le= ± 1. Это значит, что у электрона Le= + 1, а у позитрона Le= -1.

В таблице приняты обозначения: Q - электрический заряд, В барионный заряд Le,Lµ,Lτ, - соответственно, электронный, мюонный, таонный лептопные заряды, S - странность, s- спин, τ - среднее время жизни.

Масса покоя т указана в мегаэлектронвольтах. Из релятивистского уравнения mc 2 =еU следует m=eU/c 2 . Энергии частицы 1 МэВ соответствует масса m=eU/c 2 =1,6 *10 -19 /9*10 16 =17,71*10 -31 кг. Это около двух электронных масс. Разделив на массу электрона m e = 9, 11*10 -31 кг, получаем m = 1,94 m е.

Масса электрона, выраженная через энергию, составляет m е =0,511 МэВ.

7. Кварковая модель адронов . Адронами называются элементарные частицы, участ­вующие в сильных взаимодействиях. Это мезоны и барионы. В 1964 г. американцы Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг выдвинули гипотезу, что структура и свойства адронов могут быть поняты глубже, если предположить, что адроны состоят из более фундаментальных частиц, названных Гелл-Маном кварками. Кварковая гипотеза оказалась очень плодотвор­ной и является сейчас общепринятой.

Число предполагаемых кварков постоянно увеличивается. К настоящему времени наиболее хорошо изучены 5 разновидностей (ароматов) кварков: кварк u с массой m u = 5 МэВ, кварк d с массой m d = 7 МэВ, кварк s с ms= 150 МэВ, кварк c с mc = 1300 МэВ и кварк b с mb=5000 МэВ. У каждого кварка имеется свой антикварк.

Все перечисленные кварки имеют одинаковый спин 1/2 и одинаковый барионный заряд В = 1/3. Кварки u, c имеют дробный положительный заряд Q = + 2/3, кварки d, s,b имеют

дробный отрицательный заряд Q = - 1/3. Кварк s является носителем странности, кварк с -носителем очарования, кварк b - красоты (таблица 26.4).

Каждый адрон может быть представлен как ком­бинация нескольких квар­ков. Квантовые числа Q, В, S адронов получаются как сумма соответствующих чи­сел составляющих адрон кварков. Если в адрон входят два одинаковых кварка то их спины противоположны.

Барионы имеют полуцелый спин, поэтому могут состоять из нечетного числа кварков. Например, протон состоит из трех кварков, р => uud. Электрический заряд протона Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, барионный заряд протона B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, странность S = О, спин s = 1/2 – 1/2 +1/2=1/2.

Нейтрон состоит также из трёх кварков, n => udd. Q =2/3-1/3- 1/3 =О, B = 1/3+1/3+1/3=1, S = 0, s = 1/2 – 1/2 + 1/2 = 1/2. Комбинацией из трёх кварков удаётся представить следующие барионы: Λ 0 (uds), Σ + (uus), Σ 0 (uds), Σ - (dds),Ξ 0 (uss), Ξ - (dss),Ω - (sss)a°(uss). В последнем случае спины всех кварков направлены в одну сторону. Поэтому Ω - - гиперон имеет спин 3/2.

Античастицы барионов образуются из соответствующих антикварков.

Мезоны состоят из двух любых кварка и антикварка. Например, положительный пион π + (ud). Его заряд Q = +2/3- (-1/3) = 1, В = 1/3-1/3= О, S = 0, спин 1/2 – 1/2= 0.

Кварковая модель предполагает, что внутри адронов кварки существуют, а опыт пока­зывает, что вылететь из адронов они не могуг. Но крайней мере, при тех энергиях, которые достижимы на современных ускорителях. Велика вероятность, что кварки вообще не могут существовать в свободном состоянии.

Современная физика высоких энергий полагает, что взаимодействие между кварками осуществляется посредством особых частиц - глюонов. Масса покоя глюонов равна нулю, спин равен единице. Допускается существование около десятка разных видов глюонов.

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ , в узком смысле - частицы, к-рые нельзя считать Состоящими из других частиц. В совр. физике термин "элементарные частицы" используют в более широком смысле: так наз. мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами.
Э лементарные частицы участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс элементарных частиц их гравитационное взаимод. обычно не учитывается. Все элементарные частицы разделяют на три осн. группы. Первую составляют т. наз. бозоны- переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость распространения физ. воздействия и является одной из фундам. физ. постоянных; принято, что с = (299792458 1,2) м/с.
Вторая группа элементарных частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон , электронное нейтрино , мюон , мюонное нейтрино , тяжелый-лептон и соответствующее нейтрино . Электрон (символ е) считается материальным носителем наименьшей массы в природе m с, равной 9,1 x 10 -28 г (в энергетич. единицах 0,511 МэВ) и наименьшего отрицат. электрич. заряда е = 1,6 x 10 -19 Кл. Мюоны (символ) - частицы с массой ок. 207 масс электрона (105,7 МэВ) и электрич. зарядом, равным заряду электрона ; тяжелый-лептон имеет массу ок. 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа нейтрино - электронное (символ v c), мюонное (символ) и-нейтрино (символ) - легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы.
Все лептоны имеют спин ( - постоянная Планка), т. е. по статистич. св-вам являются фермионами (см. Статистическая термодинамика).
Каждому из лептонов соответствует античастица , имеющая те же значения массы, спина и др. характеристик, но отличающаяся знаком электрич. заряда. Существуют позитрон (символ е +) - античастица по отношению к электрону , положительно заряженный мюон (символ) и три типа антинейтрино (символ), к-рым приписывают противоположный знак особого квантового числа, наз. лептонным зарядом (см. ниже).
Третья группа элементарных частиц,- адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу электрона . Это наиб. многочисленная группа элементарных частиц. Адроны делятся на барионы - частицы со спином мезоны - частицы с целочисленным спином (О или 1); а также т. наз. резонансы - короткоживущие возбужденные состояния адронов. К барионам относят протон (символ р) - ядро атома водорода с массой, в ~ 1836 раз превышающей m с и равной 1,672648 x 10 -24 г (938,3 МэВ), и положит. электрич. зарядом, равным заряду электрона , а также нейтрон (символ n) - электрически нейтральная частица, масса к-рой немного превышает массу протона . Из протонов и нейтронов построены все ядра атомные , именно сильное взаимод. обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют одинаковые св-ва и рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы - нуклона с изотопич. спином (см. ниже). Барионы включают и гипероны - элементарные частицы с массой больше нуклонной:-гиперон имеет массу 1116 МэВ,-гиперон- 1190 МэВ,-гиперон -1320 МэВ,-гиперон- 1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами протона и электрона (-мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положит. и отрицат. элементарным электрич. зарядом). Все мезоны по своим сгатистич. св-вам относятся к бозонам.

Основные свойства элементарных частиц. Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений физ. величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех элементарных частиц - масса, время жизни, спин , электрич. заряд.
В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности совр. измерений) являются: электрон (время жизни более 5 -10 21 лет), протон (более 10 31 лет), фотон и нейтрино . К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимод., их времена жизни более 10 -20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимод., их характерные времена жизни 10 -22 -10 -24 с.
Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундам. взаимод. Для лептонных нейтрино и их античастиц L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих античастиц В = -1.
Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные) адроны - протон , нейтрон ,-мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными св-вами по отношению к сильному взаимод., но с разл. значениями электрич. заряда; простейший пример -протон и нейтрон . Общее квантовое число для таких элементарных частиц - т. наз. изотопич. спин , принимающий, как и обычный спин , целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения1.
Важное св-во элементарных частиц - их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или др. взаимодействий. Один из видов взаимопревращений - т. наз. рождение пары , или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае - образование пары элементарных частиц с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар е - е + , мюонных пар новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb-состояний (см. ниже). Другой вид взаимопревращений элементарных частиц - аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц и 3 фотона - при суммарном спине , равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).
При определенных условиях, в частности при невысокой скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной системы - позитрония е - е + и мюония Эти нестабильные системы, часто наз. водородоподобными атомами , их время жизни в в-ве в большой степени зависит от св-в в-ва, что позволяет использовать водородоподобные атомы для изучения структуры конденсир. в-ва и кинетики быстрых хим. р-ций (см. Мезонная химия , Ядерная химия).

Кварковая модель адронов. Детальное рассмотрение квантовых чисел адронов с целью их классификации позволило сделать вывод о том, что странные адроны и обычные адроны в совокупности образуют объединения частиц с близкими св-вами, названные унитарными мультиплетами. Числа входящих в них частиц равны 8 (октет) и 10 (декуплет). Частицы, входящие в состав унитарного мультиплета, имеют одинаковые спин и внутр. четность, но различаются значениями электрич. заряда (частицы изотопич. мультиплета) и странности. С унитарными группами связаны св-ва симметрии , их обнаружение явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из к-рых построены адроны,-кварков. Считают, что адроны представляют собой комбинации 3 фундам. частиц со спином 1 / 2: и-кварков, d-кварков и s-кварков. Так, мезоны составлены из кварка и антикварка, барионы - из 3 кварков.
Допущение, что адроны составлены из 3 кварков, было сделано в 1964 (Дж. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман). В дальнейшем в модель строения адронов (в частности, для того чтобы не возникало противоречия с принципом Паули) были включены еще 2 кварка - "очарованный" (с) и "красивый" (b), а также введены особые характеристики кварков - "аромат" и "цвет". Кварки, выступающие как составные части адронов, в свободном состоянии не наблюдались. Все многообразие адронов обусловлено разл. сочетаниями и-, d-, s-, с- и b-кварков, образующих связные состояния. Обычным адронам (протону , нейтрону ,-мезонам) соответствуют связные состояния, построенные из и- и d-кварков. Наличие в адроне наряду с и- и d-кварками одного s-, с- или b-кварка означает, что соответствующий адрон - "странный", "очарованный" или "красивый".
Кварковая модель строения адронов подтвердилась в результате экспериментов, проведенных в кон. 60-х - нач.
70-х гг. 20 в. Кварки фактически стали рассматриваться как новые элементарные частицы- истинно элементарные частицы для адронной формы материи. Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер и дает основания предполагать, что они являются теми элементарными частицами, к-рые замыкают цепь структурных составляющих в-ва. Существуют теоретич. и эксперим. доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия или, иначе говоря, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц в-ва. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления материи.

Краткие исторические сведения. Первой открытой элементарной частицей был электрон - носитель отрицат. электрич. заряда в атомах (Дж. Дж. Томсон, 1897). В 1919 Э. Резерфорд обнаружил среди частиц, выбитых из и К-мезоны (группа С. Пауэлла, 1947; существование подобных частиц было предположено X. Юкавой в 1935). В кон. 40-х - нач. 50-х гг. были обнаружены "странные" частицы. Первые частицы этой группы - К + - и К - -мезоны, Л-гипероны - были зафиксированы также в космич. лучах.
С нач. 50-х гг. ускорители превратились в осн. инструмент исследования элементарных частиц. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти--гиперон (1960), а в 1964 - самый тяжелый W -гиперон. В 1960-х гг. на ускорителях обнаружили большое число крайне неустойчивых резонансов. В 1962 выяснилось, что существуют два разных нейтрино : электронное и мюонное. В 1974 обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые (по сравнению с обычными резонансами) частицы, к-рые оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц - "очарованных", их первые представители открыты в 1976. В 1975 обнаружен тяжелый аналог электрона и мюона --лептон, в 1977 - частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981 - "красивые" частицы. В 1983 открыты самые тяжелые из известных элементарных частиц - бозоны (масса80 ГэВ) и Z° (91 ГэВ).
Т. обр., за годы, прошедшие после открытия электрона , выявлено огромное число разнообразных микрочастиц. Мир элементарных частиц оказался сложно устроенным, а их св-ва во многих отношениях неожиданными.

Лит.: Коккедэ Я., Теория кварков, [пер. с англ.], М., 1971; Марков М. А., О природе материи, М., 1976; Окунь Л.Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990.

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.

13.1. Понятие «элементарные частицы»

В точном значении термина «элементарные» - это первичные неделимые простейшие частицы без внутренней структуры, из которых состоит материя.

К 1932 году были известны четыре типа частиц: электроны, протоны, нейтроны и фотоны. Эти частицы (за исключением фотона) действительно являются составными частями наблюдаемой материи.

К 1956 году было обнаружено уже около 30 элементарных частиц. Так, в составе космического излучения, были открыты позитроны (1932 г.), мюоны (1936 г.), p(пи) - мезоны (1947 г.), странные частицы К (ка) - мезоны и гипероны. Последующие открытия в этой области сделаны с помощью больших ускорителей, сообщающих частицам энергии порядка сотен и тысяч МэВ. Так были открыты антипротоны (1955 г.) и антинейтроны (1956 г.), тяжёлые гипероны и резонансы (60-е годы), «очарованные» и «прелестные» частицы (70-е годы), t(тау) - лептон (1975 г.), n(ипсилон) - частица с массой порядка десяти(!) протонных масс, «красивые» частицы (1981 г.), промежуточные векторные бозоны (1983 г.). Сейчас известно несколько сотен частиц и их число продолжает расти.

Общее свойство всех этих элементарных частиц - они являются специфическими формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы. По этой причине к элементарным частицам больше подходит термин «субъядерные частицы» . Большинство таких частиц не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку (по современным представлениям) они являются составными системами , то есть имеют внутреннюю структуру. Однако, в соответствии со сложившейся практикой термин «элементарные частицы» сохраняется. Частицы же, претендующие на роль первичных элементов материи (например, электрон), называются «истинно элементарные» .

13.1.1. Основные свойства элементарных частиц

Все элементарные частицы, имеют очень малые массы: от 10 -22 (у промежуточных бозонов) до ~ 10 -27 (у электрона). Самые лёгкие частицы - нейтрино (предполагается, что её масса в 10 тысяч раз меньше массы электрона). Размер элементарных частиц тоже исключительно мал: от 10 -13 см (у адронов) до < 10 -16 см у электронов и мюонов.

Микроскопические массы и размеры обуславливают квантовую специфику поведения элементарных частиц. Наиболее важное квантовое свойство - способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами.

Большинство элементарных частиц нестабильны : рождаясь в космических лучах или ускорителях, они живут доли секунды, а затем претерпевают распад. Мерой стабильности частицы служит среднее время жизни t. Электрон, протон, фотон и нейтрино - абсолютно стабильные частицы (t®¥), во всяком случае их распад экспериментально не обнаружен. Нейтрон квазистабилен (t=(898±16)с. Существуют группы нестабильных частиц со средними временами жизни порядка 10 -6 , 10 -8 , 10 -10 , 10 -13 , 10 -16 , 10 -20 с. Самые кротко живущие частицы – резонансы: t~(10 -22 ¸10 -23)с.

Общими характеристиками элементарных частиц являются также спин , электрический заряд q и собственный магнитный момент . Спин обычно выражается в единицах и принимает только целые или полуцелые значения. Он определяет количество возможных спиновых состояний частицы, а также тип статистики, которой подчиняются данные частицы. По этому признаку все частицы делятся на фермионы (частицы с полуцелым спином) и бозоны (частицы с целым спином). Электрический заряд частицы является целым кратным элементарному заряду |e| = 1,6 × 10 -19 Кл. У известных элементарных частиц электрический заряд в единицах e принимает значения: q = 0, ±1, ±2 . Частицы с дробным зарядом - кварки - в свободном состоянии не встречаются (см. п.5.3.2).

Собственный магнитный момент характеризует взаимодействие покоящейся частицы с внешним магнитным полем. Векторы и

параллельны или антипараллельны.

Кроме перечисленных, элементарные частицы характеризуются ещё целым рядом квантовых характеристик, называемых «внутренними» (лептонный заряд, барионный заряд, странность и др.).

13.1.2 Частицы и античастицы

Практически каждой частице соответствует античастица - частица с такой же массой, временем жизни, спином; остальные характеристики у них равны по модулю, но противоположны по знаку (электрический заряд, магнитный момент, внутренние квантовые характеристики). Некоторые частицы (например, фотон) не обладают никакими внутренними квантовыми числами и, потому, тождественны своим античастицам - это истинно нейтральные частицы .

Вывод о существовании античастиц впервые сделал П. Дирак (1930 г.). Он вывел релятивистское квантовое уравнение, описывающее состояние частицы с полуцелым спином. Для свободной частицы уравнение Дирака приводит к релятивистскому соотношению между импульсом (p), энергией (Е) и массой (m) частицы:

Для покоящегося электрона (p e =0) возможны следующие энергетические уровни: и , интервал энергий «запрещён».

В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией трактуется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией, но противоположным электрическим зарядом. Все возможные отрицательные уровни энергии заполнены, но не наблюдаемы. Фотон с энергией способен перевести электрон из состояния с отрицательной энергией в состояние с положительной энергией (см. рис. 5.1) - электрон становится наблюдаемым.