9 Элементарные частицы и античастицы. Виды взаимодействия частиц и их объединение в рамках единой теории. Кварки. Систематика элементарных частиц.

Частицы и античастицы

Первые гипотеза об античастице возникала в 1928 г. Электрон и позитрон не являются единственной парой частица — античастица. Выводы релятивистской квантовой теории привели к заключению, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица (принцип зарядового сопряжения). Эксперименты показывают, что за немногим исключением (например, фотона и 'Я -мезона), действительно, каждой частице соответствует античастица.

Из общих принципов квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды , одинаковые спины и изотопические спины, а также одинаковые остальные квантовые числа, приписываемые элементарным частицам для описания закономерностей их взаимодействия . До 1956 г. считалось, что имеется полная сим­метрия между частицами и античастицами, т. е. если какой-то процесс идет между частицами, то должен существовать точно такой же (с теми же характеристиками) процесс между античастицами. Однако в 1956 г. доказано, что подобная симметрия характерна только для сильного и электромагнитного взаимодействий и нарушается для слабого. Античастицы были найдены также для л -мезона, каонов и гиперонов . Однако существуют частицы, которые античастиц не имеют,— это так называемые истинно нейтральные частицы. К ним относятся фотон, Л -мезон и η-мезон.

Элементарными частицами именуют большую группу мельчайших микрообъектов, не являющихся атомами или атомными ядрами (за исключением протона − ядра атома водорода). Пример античастиц: позитрон(античастица электрона). У частицы и античастицы массы, спины, времена жизни одинаковые, а прочие характеристики одинаковы по абсолютной величине, но противоположны по знаку.

Кварки − это частицы, из которых, по современным представлениям, построены крупные частицы (адроны). К настоящему времени достоверно установлено существование пяти разновидностей кварков u, c, d, s и b. Все кварки имеют спин 1/2, барионный заряд 1/3 и обладают дробным электрическим зарядом +2/3 или -1/3. Частицы, расположенные в верхней части таблицы имеют заряд +2/3, а в нижней − -1/3 . Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (р→uud), нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков (n→ddu).

Виды взаимодействий

а). Электромагнитное взаимодействие.

Оно сводится к взаимодействию электрических зарядов (и магнитных моментов) частиц с электромагнитным полем

б). Гравитационное взаимодействие.

Оно доминирует в случае макроскопических масс. Но в мире элементарных частиц, ввиду малости их масс, это взаимодействие ничтожно.

в). Слабое взаимодействие. Слабое взаимодействие вызывает, например, β-распад радиоактивных ядер и, наряду с электромагнитными силами, объясняет поведение лептонов. Оно является короткодействующим, радиус действия порядка 10^-16 см. Интенсивность слабого взаимодействия гораздо меньше интенсивности электромагнитного взаимодействия

г) Сильное (ядерное) взаимодействие. Сильное взаимодействие обеспечивает самую сильную связь элементарных частиц, в частности, связь между нуклонами в атомных ядрах. Оно присуще большинству элементарных частиц, так называемых адронов (протон, нейтрон, гипероны, мезоны и т.д.). Сильное взаимодействие - короткодействующее, радиус его действия порядка 10^-13 см. Сильное взаимодействие не зависит от знака электрического заряда взаимодействующих частиц, т.е. обладает зарядовой независимостью.