3. Элементарные частицы

   1. Два подхода к структуре элементарных частиц

Ещё в конце XIX века экспериментально было установлено сложное строение атомов. Изучение природы электричества привело к открытию электрона как составной части атома. Затем были открыты протон и нейтрон – частицы, входящие в состав атомного ядра. Вместе с квантом электромагнитного поля – фотоном, эти частицы получили название – элементарные частицы. До середины 30-х годов прошлого века на эти частицы смотрели также, как Демокрит смотрел на атомы: их считали неделимыми, неуничтожаемыми и элементарными составными частями всей материи. Однако, как это не раз случалось в физике, такая стройная и ясная ситуация сохранялась недолго.

Исследование космического излучения, ядерных реакций, природы ядерных сил и т.д. привело к открытию новых элементарных частиц. Всё оказалось намного сложнее и сейчас физика не даёт строгое и однозначное понятие элементарной частицы. Выяснилось, что практически в реальном мире ни одна из частиц не является бессмертной. Элементарные частицы могут превращаться друг в друга. Число элементарных частиц уже превышает несколько сотен видов, и их число продолжает увеличиваться. Для изучения свойств и поиска новых элементарных частиц строятся гигантские дорогостоящие научно-исследовательские установки, например, некоторые ускорители имеют диаметр несколько километров. Большой научный интерес представляет поиск предположительно существующих квантов гравитационного поля. Эти элементарные частицы получили даже название – гравитоны, однако экспериментально они не обнаружены.

Кроме массы, электрического заряда и спина, частицы отличаются также другими физическими величинами: барионный заряд, лептонный заряд, странность и другие. Детальное рассмотрение этих вопросов выходит за рамки настоящего курса.

Основные отличия свойств элементарных частиц проявляются по их отношению и их роли в различных видах взаимодействия: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Существует несколько типов классификации элементарных частиц, однако обычно их подразделяют на четыре класса:

1. Фотоны: в этом классе всего одна частица – фотон, квант электромагнитного поля.

2. Лептоны: электрон, позитрон, нейтрино, мюоны. Это стабильные, относительно лёгкие частицы со спиновым квантовым числом ½. Характеризуются лептонным зарядом: для лептонов +1, не лептонов 0 и антилептонов –1. В любых видах реакций и взаимодействий суммарный лептонный заряд не изменяется. Именно поэтому, в зависимости от типа распада, при -распаде в реакции появляется нейтрино или антинейтрино: .

3. Мезоны: сильновзаимодействующие нестабильные частицы, с массой покоя больше электрона но меньше протона, с нулевыми спинами, не имеющие барионного заряда (см. ниже 4 класс). Мезоны участвуют не только в слабых, но и в сильных взаимодействиях, связывая нуклоны в ядре.

4. Барионы: протон, нейтрон, гипероны. Эти частицы имеют спин ½, являются источниками поля ядерных сил, имеют барионный заряд, суммарная величина которого в реакциях сохраняется.

В зависимости от знака электрического, лептонного, барионного заряда и направления магнитного момента различают частицы и античастицы. Например, нейтрон и антинейтрон различаются знаком барионного заряда (+1 и –1).

3. Сумма каких из перечисленных физических величин сохраняется при всех типах взаимодействия элементарных частиц: масса, кинетическая энергия, импульс, электрический заряд, количество частиц, лептонный заряд, барионный заряд?

Взаимные превращения элементарных частиц, их нестабильность вовсе не отрицает их элементарности. Следует избегать упрощённого понимания этих процессов. Например, распад нейтрона на протон, электрон и антинейтрино не означает, что нейтрон состоит из этих частиц. При другом типе распада появляются другие частицы: позитрон, нейтрино. Элементарность частиц означает то, что они не имеют составных частей, на которые их можно было бы однозначно разложить. Взаимные превращения частиц имеют более глубокую сущность, основанную на взаимосвязи материи, энергии и поля. В частности, при взаимодействии релятивистских частиц рождается много новых элементарных частиц, что подтверждает связь энергии покоя и массы частицы E=mc², а также релятивистское изменение массы частицы: .

Разумеется, неверна и противоположная крайность во взглядах на природу элементарных частиц, при которой вообще отрицается внутренняя структура этих частиц.