20. Елементарні частинки: лептони, мезони, баріони. Частинки та античастинки. Сильна взаємодія та структура адронів.

Лепто́н (грец. λεπτός — легкий) — елементарна частинка, ферміон, що не бере участі в сильній взаємодії. Назва «лептон» була запропонована Леоном Розенфельдом у 1948 році і відображала той факт, що всі відомі на той час лептони були значно легшими за важкі частинки, що входять у клас баріонів (грец. βαρύς — важкий). Зараз етимологія терміну вже не цілком узгоджується з дійсним положенням справ, оскільки відкритий в 1977 тау-лептон приблизно удвічі важчий за найлегші баріони (протон і нейтрон).

Існує три покоління лептонів:

перше покоління: електрон, електронне нейтрино

друге покоління: мюон, мюонне нейтрино

третє покоління: тау-лептон, тау-нейтрино (плюс відповідні античастинки)

Співвідношення між масами заряджених лептонів описується формулою Койде.

Кількість можливих поколінь «класичних лептонів» встановлена з експериментів з вимірювання ширини розпаду Z0-бозона — вона дорівнює трьом. Строго кажучи, це не виключає можливості існування «стерильних (таких, що не беруть участі у слабкій взаємодії) або дуже важких (масою понад кілька десятків ГеВ, всупереч назві) поколінь» лептонів.

Лептони разом із кварками (які беруть участь у всіх чотирьох взаємодіях, включаючи сильну) складають клас фундаментальних ферміонів — частинок, з яких складається речовина.

Мезони (англ. mesons, нім. Mesone n pl) — родина елементарних частинок, адрони з цілим спіном, які складаються з кварка та антикварка. Нестабільні частинки — найдовший час життя мають піони (2.6×10−8 с)

Від класу баріонів (які теж є адронами) відрізняються відсутністю баріонного заряду і цілим спіном. Бувають електрично зарядженими і нейтральними, дивними, чарівними і красивими (в залежності від аромату кварків, з яких складається мезон), мають цілий (0 або 1) і напівцілий ізотопічний спін. Існують у вигляді частинок і античастинок. Передбачені Юкавою у 1934, відкриті у космічних променях у 1947.

Як частинки із цілим спіном мезони належать до бозонів і підкоряються статистиці Бозе — Ейнштейна.

Беруть участь у всіх трьох видах взаємодії — сильній, електромагнітній та слабкій, при цьому сильна взаємодія превалює (на близьких відстанях).

Обмін мезонами, у низькоенергетичному наближенні, є механізмом сил притягання (і відштовхування на маленькій відстані) між нуклонами.

Баріони — субатомні частинки, що складаються з трьох кварків, і мають напівціле значення спіну. Разом з мезонами, складають клас адронів — частинок, що беруть участь у сильній взаємодії. Назва баріонів походить від грецького βαρύς, важкий, тому що на момент відкриття всі інші частинки були легшими за них.

Баріони підкоряються статистиці Фермі-Дірака, тобто є ферміонами і для них є справедливим принцип Паулі. Іншою характеристикою баріонів є баріонний заряд, квантове число, що приймає цілі значення.

Баріони складаються із трьох кварків таким чином, що баріонні числа кварків (1/3 або −1/3) додаються, утворюючи значення 1 або −1. Іноді до баріонів відносять більш екзотичні частинки, на кшталт пентакварків, що були відкриті у 2015 році колаборацією LHCb.[1] Ще більш екзотичні частинки, що складаються з семи або дев'яти кварків, хоча не були досі відкриті експериментально, проте теоретично їх існування також є можливим[2].

Найвідомішими баріонами є протон і нейтрон, що є основними складовими атомного ядра.

Елемента́рна части́нка — збірний термін, що стосується мікрооб'єктів в суб'ядерному масштабі, які неможливо розщепити на складові частини. Їх будова й поведінка вивчається фізикою елементарних частинок. Поняття елементарних частинок ґрунтується на факті дискретної будови речовини. Низка елементарних частинок має складну внутрішню структуру, проте розділити їх на частини неможливо. Інші елементарні частинки є безструктурні й можуть вважатися первинними фундаментальними частинками. Фундамента́льна части́нка — безструктурна елементарна частинка, яку досі не вдалося описати як складну.

Елементарні частинки — найдрібніші суб'ядерні частинки речовини або фізичного поля. Це дискретні структурні елементи, що можуть існувати в неасоційованому стані. Найхарактернішою особливістю елементарних частинок є їхня здатність до перетворень і взаємодії. При цьому дочірні частинки — це не структурні складові материнських, вони народжуються при актах перетворення. За властивостями елементарні частинки поділяють на такі групи: фотони, лептони, мезони й баріони (нуклони й гіперони). Майже всі елементарні частинки нестабільні (за винятком електрона, протона, нейтрона, нейтрино, фотона). Основні характеристики елементарних частинок: електричний заряд, маса, тривалість життя, спін, лептонний і баріонний заряди, дивність (квантове число).

Античасти́нки — частинки з рівними, але протилежними за знаком електричним зарядом і магнітним моментом в порівнянні з відповідними елементарними частинками, наприклад, антипротон — протон, позитрон — електрон. Антиатоми і антиядра можна одержати з відповідних атомів та ядер заміною всіх елементарних частинок, що входять до їхнього складу, на античастинки. Речовина, що цілком складається з античастинок називається антиматерією.

Си́льна взаємоді́я, сильна ядерна взаємодія — одна з чотирьох фундаментальних сил природи, інші три: електромагнітна, гравітаційна і слабка взаємодія.

Сильна ядерна взаємодія найпотужніша з взаємодій. Однак, вона проявляється на малих відстанях (10−15 м, відстані співмірні з розміром ядра атома), пов'язує разом кварки, а також пов'язує протони і нейтрони в ядрі атома. Частинками-носіями сильної ядерної взаємодії за сучасними уявленнями є глюони. Їх всього 8 типів, кожен з яких має нульову масу (маса спокою) і нульовий заряд. На відміну від обмінних частинок інших взаємодій, глюони можуть взаємодіяти один з одним через інший глюон.

Адрони (від дав.-гр. ἁδρός «великий; масивний») — клас елементарних частинок, до якого належать лише частинки, що беруть участь у сильних взаємодіях. Як правило, беруть участь і в інших взаємодіях — електромагнітних і слабких. Згідно з сучасною теорією (див. Квантова хромодинаміка) мезони складаються з кварків та антикварків, а баріони - із трьох кварків, тобто адрони не є елементарними у первісному значенні цього слова, однак за традицією їх продовжують називати елементарними частинками.

Як і інші елементарні частинки, адрони характеризуються квантовими числами: масою, електричним зарядом, спіном, парністю тощо. Крім цього адрони характеризуються ароматовими квантовими числами: дивністю, чарівністю та красою.

Адрони — найчисленніша група елементарних частинок — їх нараховується близько 400.

За значенням спіну адрони поділяють на дві великі групи:

Баріони мають напівцілий спін, тобто є ферміонами. Баріони характеризуються адитивним квантовим числом — баріонним зарядомB. У баріонів B=1, у антибаріонів B=-1. Баріонами є, наприклад, складові атомного ядра — протони та нейтрони.

Мезони мають цілий спін, тобто є бозонами. Баріонний заряд у мезонів відсутній: B=0. До мезонів належать піони, каони тощо.

Розрізняють стабільні (точніше, мета-стабільні) адрони з середніми часом життя Т > 10−23 с і резонанси, часи життя яких Т ~ 10−24 — 10−23 с. Всі адрони, за винятком протона, є нестабільними частинками, тобто вони розпадаються на інші частинки.

Згідно з кварковою моделлю, мезони складаються з кварка та антикварка, а баріони — з трьох кварків (антибаріони, відповідно, — з трьох антикварків). Адрони, які не вписуються у цю схему, називають екзотичними.

До екзотичних адронів належать:

глюболи,

тетракварки,

пентакварки тощо.

На сьогодні існування екзотичних адронів не є встановленим фактом. Ведуться інтенсивні експериментальні пошуки таких частинок. Серед теоретиків йдуть дискусії щодо екзотичності деяких відомих мезонів.