Лекция 50 Классификация элементарных частиц

Классификация элементарных частиц: лептоны (электрон, позитрон, мюоны, таоны, нейтрино), адроны (мезоны, барионы, гипероны). Частицы – переносчики взаимодействий. Античастицы. Кварковая модель адронов. Стандартная модель элементарных частиц.

Достижения субъядерной физики. Попытки объединения фундаментальных взаимодействий и создания «единой теории». Электрослабое взаимодействие. Великое объединение. Расширенная супергравитация.

8.3.4. Классификация элементарных частиц

В основе классификации элементарных частиц лежит их участие в фундаментальных взаимодействиях.

8.3.4.1. Лептоны

Лептоны (греч. «лептос» – лёгкий) − частицы участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях, но не учасвующие в сильном взаимодействии. В настоящее время установлено существование шести заряженных лептонов: электрон , позитрон , мюоны , тяжелые лептоны (таоны) , и соответствующих им шести нейтральных частиц: электронные нейтрино и антинейтрино , мюонные и , таонные и . Нейтральные лептоны не участвуют в электромагнитном взаимодействии. Все лептоны имеют спины, равные и, следовательно, являются фермионами. Лептоны подразделяются на три поколения (семейства): и , с каждым из которых связывают равное 1 особое квантовое число, присущее только лептонам, – лептонное число (лептонный заряд) . Все лептоны на современном уровне можно назвать истинно элементарными частицами, так как у них не обнаружена внутренняя структура. В этом смысле лептоны называют точечными частицами. Попытки определить размеры лептонов показали, что верхний предел составляет 10^-18 м.

Электрон – самая лёгкая из всех заряженных элементарных частиц, носитель отрицательного элементарного заряда . Открыт в 1897 г. Дж. Томсоном при изучении катодных лучей. Масса электрона кг. Спин электрона равен ½, он подчиняется статистике Ферми-Дирака. Электрон – стабильная частица, его время жизни превышает 2∙10²² лет. В 1932 г. в составе космических лучей К.Андерсоном был обнаружен позитрон – первая открытая античастица. Существование позитрона непосредственно вытекает из релятивистской теории электрона, развитой П.Дираком в 1928 – 1931 гг.

Мюоны (устаревшее название – мю-мезоны) – заряженные элементарные частицы и со спином ½, временем жизни 2,2∙10^-6 с и массой, приблизительно в 207 раз превышающей массу электрона. В 1936 г. Обнаружены в космических лучах К.Андерсоном и С.Неддермейером.

В 1975 г. в Стенфорде в опытах на встречных электрон-позитронных пучках в результате аннигиляции был открыт тау-лептон:

Масса тау-лептона равна 1,8 ГэВ, время жизни 5∙10^-13 с. По своим свойствам напоминает электрон и мюон.

Идея о существовании нейтрино принадлежит В.Паули (1930 г.), что позволило устранить трудности с законом сохранения импульса в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено в 1956 г. Ф.Райнесом и К.Коуэном. В 1962 г. было выяснено, что в природе существуют два типа нейтрино – электронное и мюонное. После открытия тау-лептона стало ясно, что с ним связан еще один тип нейтрино.

Нейтрино (символ ) – лёгкая электрически нейтральная не обладающая цветом элементарная частица со спином ½. Нейтрино участвует в слабом взаимодействии, по статистическим свойствам является фермионом. Наблюдаются нейтрино трёх типов: электронные , мюонные и нейтрино в соответствии наличием трёх типов заряженных лептонов. Нейтрино каждого типа имеет антинейтрино По экспериментальным данным масса нейтрино не превышает нескольких десятков электрон-вольт. Нейтрино – стабильная частица. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Отличительным свойством нейтрино является исключительно большая проникающая способность. Не участвуя в сильном и электромагнитном взаимодействиях, они легко проникают через вещество. Нейтрино испускаются при превращениях атомных ядер и в распадах частиц. Особый интерес для ученых представляют солнечные нейтрино. Поскольку при превращении четырех протонов в ядро гелия рождаются два нейтрино, в недрах Солнца в результате термоядерных реакций ежесекундно генерируются 1,8∙10³⁸ нейтрино. Пройдя сквозь огромную толщу солнечного вещества, нейтрино сохраняют всю ту информацию, которую они получили в термоядерных реакциях в недрах Солнца. Плотность потока солнечных нейтрино, падающих на поверхность Земли, равна 6,6∙10¹⁰ нейтрино на 1 см² в 1 с. Измерение потока нейтрино, падающих на Землю, позволяет судить о процессах, происходящих внутри Солнца.