Классификация элементарных частиц

1. Частицы и античастицы. Все элементарные частицы, прежде всего, можно разделить на два класса: частицы и античастицы. Каждая частица имеет свою античастицу, и они характеризуются следующими свойствами: масса, время жизни и спин у частицы и античастицы одинаковы, но остальные свойства, такие как заряд и магнитный момент, противоположны по знаку. Античастицы обозначаются теми же символами, что и частицы. К ним сверху лишь добавляется символ ~, называемый «тильда». Примерами частиц и античастиц являются электрон и позитрон (положительно заряженный электрон), протон p и антипротон Важным свойством частиц и античастиц является то, что при их встрече происходит аннигиляция (уничтожение) частиц с появлением либо фотонов, либо других частиц. Это не означает, что в первом случае материя уничтожается; в действительности происходит переход одного вида материи (частицы) в другой (электромагнитное излучение). В лабораторных условиях из антипротона и позитрона был получен и антиатом. Всё сказанное приводит к мысли о том, что где-то во Вселенной, вдали от нашего обычного вещества, могут существовать «антимиры» (встреча такого мира и антимира привела бы вследствие аннигиляции к взрыву колоссальной мощности). Все известные элементарные частицы, включая античастицы, подразделяются на три класса (рис. 1): адроны, лептоны и частицы, отвечающие за перенос взаимодействий.

Р

Элементарные частицы

Переносчики

массы

Барионы

(например,

нуклоны)

Адроны

(ядерные частицы

Мезоны

(например,

пионы)

Антибарионы

(например,

антинуклоны)

Кварки

(не менее 12 видов)

Лептоны

(внеядерные частицы)

Переносчики

взаимодействий

Фотоны

Промежуточные

векторные

бозоны

Гравитоны

(переносчики

гравитации)

Глюоны

Электроны

Мюоны

Нейтрино

(2 разновидности)

ис. 1

2. Адроны — это элементарные частицы, которые участвуют в сильных (ядерных) взаимодействиях. Они составляют самый большой класс элементарных частиц: их насчитывается свыше 300. Греческое слово «хадрос» означает массивный, сильный. Русское слово «ядро» происходит также от этого слова. Адроны — это тяжёлые частицы и их можно назвать родственниками протона. Адроны подразделяются на два класса: барионы — частицы, которые имеют спин, равный и мезоны — со спином Протоны и нейтроны являются самыми лёгкими барионами, другие барионы (гипероны) по массе их превосходят. Мезоны — частицы, масса которых занимает промежуточное значение между массой электрона и массой протона.

3. Кварки. В середине 60-х годов была выдвинута гипотеза, что все адроны построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. В настоящее время считается, что имеются кварки шести типов, характеристики которых приведены в табл. 1. Имеется также шесть антикварков. Все кварки имеют спин, равный Интересной особенностью кварков является то, что они имеют дробный электрический заряд.

Используя комбинации из различных кварков можно получить любой известный адрон. Так, например, протон составляется из двух u-кварков и одного d-кварка (схематически, используя обозначения кварков из таблицы: uud). Действительно, заряд протона: (2/3 + 2/3 – 1/3)e = +e. (Не следует забывать, что аналогично проверяются все другие характеристики частицы: спин, магнитный момент и другие). Нейтрон состоит из двух d-кварков и одного u-кварка (ddu). Для объяснения строения других барионов и мезонов привлекаются более тяжёлые кварки.

Кварки	Символ	Заряд	Масса
Верхний (up) Нижний (down) «Очарованный» (Charm) «Странный» (strange) «Истинный» (truth) «Прелестный» (beauty)	u d c s t b	(+2/3)e (–1/3)e (+2/3)e (–1/3)e (+2/3)e (–1/3)e	5 Мэв 7 Мэв 1,3 Гэв 150 Мэв 20 Гэв 5 Гэв

Таблица 41.1

С появлением теории кварков физики пытались найти их экспериментально. Однако, все попытки найти частицы с дробным зарядом успехом не увенчались. В настоящее время полагают, что кварки в свободном виде просто не существуют и поэтому их невозможно найти экспериментально.

4. Лептоны. Лептоны — частицы, которые не участвуют в сильных (ядерных) взаимодействиях, а участвуют в электромагнитных и слабых взаимодействиях. По-гречески «лептос» означает маленький, а «лепта» — мелкая монета. Если адроны — «родственники» протона, то лептоны — «родственники» электрона, причём сам электрон относится к классу лептонов. Подобно электрону другие лептоны — истинно элементарные частицы, поскольку ни у одного лептона не обнаружена внутренняя структура. К лептонам относится электрон, мюон, -лептон и нейтрино.

Мюон — это частица, у которой основные свойства совпадают со свойствами электрона. Его можно назвать тяжёлым электроном, так как масса равна 106 Мэв (у электрона — 0,51 Мэв). В отличие от электрона мюон не стабилен, его время жизни равно 10^–6 с (по атомным масштабам довольно большое). Физикам удалось искусственно получить атом, в котором вокруг ядра вращается мюон (-мезоатом). Мезоны в этом случае подчиняются тем же законам, что и электроны. -мезоатом может вступать в химические реакции и образовывать мезомолекулы. Однако следует отметить, что роль мюона в мироздании непонятна: объяснить структуру материи можно и без него.

Нейтрино. Нейтрино (маленький нейтрон) было открыто в результате исследования -распада. Выяснилось, что при -распаде, кроме электрона, из ядра вылетает ещё какая-то частица, не имеющая заряда, которую и назвали нейтрино и обозначили через Так, свободный нейтрон, являясь квазистабильной частицей, со временем распадается на протон, электрон и нейтрино, которое называют электронное нейтрино (точнее — антинейтрино) по схеме: Дальнейшие исследования показали, что существуют также мюонные нейтрино _, образующиеся при распаде мюонов, а также тау-нейтрино. Основные свойства нейтрино:

а) нейтрино не имеет заряда, это нейтральная частица;

б) масса покоя нейтрино равна нулю, либо ничтожно мала;

в) нейтрино участвует только в слабом взаимодействии, проявляющемся в частности в -распаде.

Перечисленные свойства делают нейтрино «невидимкой», частицей, которую трудно зарегистрировать, поскольку она практически ни с чем не взаимодействует. Поэтому нейтрино свободно проходит сквозь аппаратуру, с помощью которой его пытаются увидеть. Взаимодействие нейтрино с протонами и нейтронами в 10¹² раз слабее, чем электромагнитное взаимодействие. Всю толщу земного шара нейтрино может пройти, не вызывая взаимодействий. Поэтому нейтрино долго не могли «поймать». Однако нейтрино были обнаружены.

Переносчики взаимодействий. Обратимся к третьему типу элементарных частиц, которые отвечают за взаимодействие между рассмотренными ранее частицами и из которых образуется любое вещество. Рассмотрим такие частицы. Переносчиками взаимодействий являются фотоны, глюоны и гравитоны (рис. 1).

Фотоны (γ) являются переносчиками электромагнитных взаимодействий, их масса покоя равна нулю, и они не имеют заряда. Взаимодействие двух заряженных частиц происходит вследствие обмена между ними фотонами. Отметим, что в электромагнитном взаимодействии участвуют кварки, все адроны, заряженные лептоны, а также частицы, ответственные за слабое взаимодействие.

Глюоны [glue — клей] (g) — переносчики сильных взаимодействий. Они не имеют массы и электрически нейтральны. Это частицы, с помощью которых осуществляется взаимодействие кварков.

Промежуточные бозоны (W, Z) — переносчики слабых взаимодействий. Они имеют электрический заряд (q = ± е) и обладают большими массами: m_W ≈ 81 Гэв, m_Z ≈ 93 Гэв. Промежуточные бозоны были предсказаны теоретически и вскоре открыты, причём все предсказанные свойства совпали с экспериментальными. Промежуточные бозоны могут испускаться и поглощаться как кварками, так и лептонами, и поэтому в слабом взаимодействии участвуют все частицы за исключением фотонов и гравитонов.

Гравитоны (G) — переносчики гравитационного взаимодействия. Гравитоны до сих пор экспериментально не обнаружены так же, как и гравитационные волны. Предполагаемые свойства гравитона — это нейтральные частицы, не обладающие массой покоя, со спином