8.3.3. Характеристики элементарных частиц

Каждая частица описывается набором физических величин – квантовых чисел, определяющих её свойства. Наиболее часто употребляемые характеристики частиц следующие.

Масса покоя частицы, . Массы покоя элементарных частиц определяются либо по отношению к массе электрона, либо на основании соотношения в МэВ. Существуют элементарные частицы, масса покоя которых равна нулю, например фотоны. Они всегда движутся со скоростью света. К группе лептонов относятся легкие частицы: электроны ( кг МэВ), позитроны, различные нейтрино.. Частицы с массой в пределах до тысячи масс электрона называют мезонами: - мезоны, - мезоны ( МэВ), - мезоны ( МэВ). Тяжелые элементарные частицы называются барионами: протон, нейтрон, гипероны, резонансы. Например, масса протона МэВ, масса гиперона равна МэВ. Существуют и более тяжелые частицы: масса бозона равна ГэВ, масса недавно открытого бозона Хиггса оценивается в ГэВ.

Время жизни, . В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. К стабильным частицам относятся протон ( > 5∙10³² лет), электрон ( > 2∙10²² лет), три разновидности нейтрино и их античастицы, для которых в настоящее время распады не обнаружены, фотоны. Все остальные ^-элементарные частицы нестабильны, их время жизни находится в пределах 10^-10 – 10^-24 с, после чего они распадаются. К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Их обычно называют резонансами. Характерное время жизни резонансов 10^-24 – 10^-22 с. Частицы, распадающиеся за счет слабого или электромагнитного взаимодействий, время жизни которых превышает 10^-20 с, называются квазистабильными. Например, время жизни - мезона 0,8∙10^-16 с.

Электрический заряд . Электрический заряд элементарных частиц является целой кратной величиной от элементарного электрического заряда = 1,6⋅10−19 Кл. Известные элементарные частицы имеют электрические заряды Кварки имеют дробные электрические заряды: верхние кварки нижние

Спин . Спин – собственный момент количества движения элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Величина спина измеряется в единицах постоянной Планка и равна , где – характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или полуцелое положительное число, называемое спиновым квантовым числом. Например, спин -, -мезонов равен 0, спин фотона равен 1, гравитона 2. Спин электрона, мюона, протона равен 1/2, спин - гиперона равен 3/2. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми−Дирака, их называют фермионами . К фермионам относятся лептоны, барионы, барионные резонансы, кварки и их античастицы. Для фермионов справедлив принцип запрета Паули. Частицы с целым спином подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, их называют бозонами. К бозонам относятся фотон, гравитон, промежуточные векторные бозоны, мезоны и мезонные резонансы, глюоны.

Внутренняя четность – квантовое число, характеризующее поведение волновой функции физической системы при некоторых дискретных преобразованиях. Если при пространственной инверсии (переход от правовинтовой системы координат к левовинтовой) волновая функция остаётся неизменной, то состояние, описываемое такой волновой функцией, называется чётным ( = + 1). Если при таком преобразовании волновая функция меняет знак на противоположный, то такое состояние называется нечётным ( = – 1). Например, четность - мезона

Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые приписывают только отдельным группам частиц.

Лептонное число (лептонный заряд) – аддитивное внутреннее квантовое число, приписываемое каждому семейству (поколению) лептонов: – – – . Лептоны , и участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны , и участвуют только в слабых взаимодействиях. Обычно лептонам приписывается лептонное число, равное а антилептонам, равное Например, электрон электронное нейтрино имеют ; а имеют При этом , и не тождественны друг другу. Для элементарных частиц, не являющихся лептонами, лептонное число равно нулю. Эксперимент показал, что во всех процессах взаимодействия элементарных частиц с участием лептонов каждое из лептонных чисел сохраняется.

Барионное число (барионный заряд), , – характеристика элементарных частиц, отражающая установленный на опыте закон сохранения «тяжелых» частиц – барионов. Понятие «барионное число» введено в 1938 г. Э.Штюкельбергом для объяснения стабильности протона. Барионное число протона, нейтрона, и гиперонов равно + , а - и - мезоны имеют У антибарионов . Закон сохранения барионного заряда запрещает распад протона, обладающего барионным зарядом, на мезоны и лептоны, которые не имеют барионного заряда.

Странность, – аддитивное квантовое число, являющееся одной из специфических характеристик адронов, носителем которой является странный кварк . Все адроны обладают определёнными целочисленными (нулевыми, положительными или отрицательными) значениями , причём Адроны с называются странными частицами. К странным частицам относятся К-мезоны, гипероны и некоторые резонансы. Например, гипероны и имеют мезоны имеют Частицам, не участвующим в сильном взаимодействии, приписывается значение В процессах, обусловленных сильным и электромагнитным взаимодействиями, странность сохраняется, т.е. суммарная странность исходных и конечных частиц одинакова. В процессах слабого взаимодействия странность может нарушаться.

Очарование (шарм) [от англ. charm – очарование] - аддитивное квантовое число , характеризующее адроны или кварки. Носителем квантового числа является -кварк, массой примерно 1,5 ГэВ и электрическим зарядом +2/3. Может принимать значения −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3. Например, имеет Квантовое число очарование сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается слабым взаимодействием.

Прелесть (красота, боттомность, ) [от англ. – beauty] – аддитивное квантовое число, присущее красивым, или прелестным, адронам, сохраняющееся в процессах сильного и электромагнитного взаимодействия и нарушающееся в процессах слабого взаимодействия. Носителем красоты являются - кварк, а также адроны, в состав которых входит - кварк (или его антикварк). Для красивых барионов квантовое число может принимать значения

Для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел существуют античастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина, изотопического спина (для адронов), но с противоположными знаками указанных квантовых чисел. Частицы, не имеющие античастиц, называются истинно нейтральными частицами ( -, -, - и - мезоны).

Понятия частицы и античастицы относительны. Что называть частицей, а что античастицей – это вопрос соглашения. Электрон считают частицей, а позитрон – античастицей только потому, что в нашей Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны являются экзотическими объектами. В вакууме при отсутствии вещества позитрон столь же стабилен, как и электрон. Однако при встрече электрона с позитроном эти частицы аннигилируют, превращаясь в несколько квантов излучения. Аннигилируют и другие частицы со своими античастицами. При аннигиляции тяжелых частиц возникают не столько гамма-кванты, сколько другие легкие частицы. Так, при аннигиляции протона с антипротоном появляются пи-мезоны.

Вещество, основой которого являются барионы – тяжелые элементарные частицы, включающие протоны и нейтроны и ряд короткоживущих частиц, которые при распаде порождают протоны, называется барионным веществом или барионной материей. Все вещество, с которым мы имеем дело и из которого сами состоим, является барионным. В нашей Вселенной астрономами не обнаружено скоплений антивещества. Этот факт получил название барионной асимметрии Вселенной.

Барионная асимметрия Вселенной – экстраполяция на Вселенную в целом наблюдаемого преобладания вещества над антивеществом в нашем локальном скоплении галактик; отсутствие в заметных количествах в Метагалактике антивещества, что противоречит симметричному образованию пары частица-античастица из вакуума, согласно квантовой теории поля. Причину такой асимметрии следует искать в происхождении и эволюции нашей Вселенной. Объяснение происхождения барионной асимметрии Вселенной – одна из ключевых проблем современной космологии и физики элементарных частиц.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:

1. Назовите типы фундаментальных взаимодействий.

2. Какие структуры называют элементарными частицами?

3. Основные характеристики элементарных частиц.

Литературные источники:

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: ACADEMIA, 2008.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов: в 3-х томах / И.В.Савельев. – СПб.: Спец. лит., 2005.