96.4. Классификация элементарных частиц

По признаку участия в фундаментальных взаимодействиях элементарные частицы делят на классы. Частицы, для которых основным типом взаимодействия является слабое¹⁵ относятся к классу лептонов. Это шесть частиц: электрон , электронное нейтрино , мюон , мюонное нейтрино , таон , таонное нейтрино и их античастицы: позитрон, , , , , . В процессах взаимодействия выполняется закон сохранения лептонного заряда. Квантовое число – лептонный заряд – для лептонов частиц равен , а для антилептонов . Например, для аннигиляции электрона и позитрона , закон сохранения заряда будет: . Все лептоны являются фермионами. Переносчиками слабого взаимодействия являются , , бозоны.¹⁶

К адронам относятся элементарные частицы, основным типом взаимодействия для которых является сильное взаимодействие.¹⁷ Адроны делятся на мезоны и барионы. К мезонам относятся , , , , , , , , они характеризуются целым значением спина. Барионы имеют полуцелый спин, и для них, в отличие от мезонов, выполняется закон сохранения барионного зарада. Частице бариону приписывается единичный положительный барионный заряд , античастице – отрицательный . Суммарный барионный заряд до взаимодействия равен суммарному барионному заряду после взаимодействия. Барионы с массой, превышающей массу нейтрона, называются гиперонами. К их числу относят , , , , , , , , , , .

Вывод: в зависимости от того, какой тип взаимодействия является основным, элементарные частицы делятся на классы: фотоны, лептоны, мезоны, барионы. В настоящее время предпринимается попытка установить такую систематизацию элементарных частиц, которая позволила бы раскрыть глубинные фундаментальные связи между частицами, подобно тому как таблица Менделеева позволила систематизировать атомы в соответствии со строением их электронных оболочек.

96.5. Кварки

Результаты опытов по неупругому рассеянию электронов на протонах и нейтронах свидетельствует о пространственном распределении в них электрического заряда. Выделенные области могут перемещаться внутри нуклонов.¹⁸ Эти исследования подтверждали идею о существовании трех кварков – частиц, из которых строятся адроны. Идея была высказана в 1964 г. М.Геллманом и Д.Цвейгом. Согласно гипотезе, кварк с ароматом u имеет дробный положительный электрический заряд , кварки с ароматами d и s обладают отрицательным электрическим зарядом . Барионный заряд кварков одинаковый и равен . Кварки s и d различаются значением квантового числа, которое называют странностью S. У s кварка , а у u и d .

Ряд свойств кварков приводится в таблице.

Опеределим кварковый состав протона. Обозначим через x, y, z, количество кварков u, d, s, тогда с учетом того, что у протона , , можем записать

Решению системы соответствуют значения , , , таким образом, протон состоит из двух u кварков и одного d кварка u u d. Существуют частицы из трех кварков одного аромата, например состоит из трех s кварков¹⁹. Спин кварков равен , поэтому они подчиняются принципу Паули, согласно которому в квантовой системе не может быть двух одинаковых частиц. Чтобы снять возникшее противоречие, было введено понятие цветового заряда кварка. Цветовой заряд создает вокруг кварка цветовое поле и служит его источником. Одинаковые цветовые заряды отталкиваются, а противоположные – притягиваются. Каждый кварк может существовать в трех видах: красном, зеленом, синем. Все три цвета рассматриваются как равноправные. Процесс взаимодействия кварков сводится к обмену цветом. Переносчиками цветового заряда являются глюоны. Это бозоны²⁰, со спином равным 1, масса покоя равна 0. Глюон является носителем комбинации цвет – антицвет²¹. Комбинаций цвет – антицвет возможно 6: , , , , , , предполагается наличие двух бесцветных глюонов.

При излучении или поглощении кварком глюона происходит смена цвета кварка. Например, при поглощении красным u кварком глюона , происходит нейтрализация красного цвета и кварк становится синим. Таким образом при сильных взаимодействиях меняется цвет кварка, а аромат остается неизменным.

Цветовое взаимодействие проявляется между кварками, но не между адронами. Любой барион цветонейтрален и состоит из трех ароматов. Мезоны состоят из кварка и антикварка с противоположными цветовыми зарядами. Ускоренный кварк излучает глюоны, которые сами, обладая цветовым зарядом, способны излучать глюоны. В этом состоит принципиальное отличие цветовых зарядов и полей от электрического заряда и электрического поля. Так, основной принцип электромагнитного поля – принцип суперпозиции – для цветовых полей не выполняется. Из-за этого цветовое взаимодействие между кварками тем меньше, чем они ближе друг к другу. Это свойство получило название асимптотической свободы, оно объясняет, почему нельзя выделить кварк из адрона. Если предпринимается такая попытка, то с увеличением расстояния взаимодействие будет возрастать.

Попытка продолжить разделение приводит к рождению новых адронов. Это явление получило название «конфайнмент». Следствием этого является то, что кварки не в состоянии удалиться друг от друга не расстояние м, но для бесцветных комбинаций это возможно, потому что их не удерживают глюонные поля²². При удалении на расстояния, превышающие радиус конфайнмента взаимодействие между адронами осуществляется путем обмена пионами²³. Пион – нуклонное взаимодействие называют «остаточным» сильным взаимодействием, оно значительно слабее, чем сильное взаимодействие, обусловленное обменом глюонами.

В 1974 г. и в 1976 г. были открыты (джей-пси) и (ипсилон) частицы, для объяснения свойств которых были введены c и b кварки. В 1995 г. было экспериментально обосновано введение t кварка.

Вывод: теоретически предсказано и экспериментально подтверждено существование шести кварков, из которых состоят адроны. Ядра обычного вещества состоят из легчайших u и d кварков. Кварки обладают цветовым зарядом. Переносчиками цветового заряда являются глюоны. Из-за цветового взаимодействия глюонов между собой возникает явление асимптотической свободы, которое определяет характер взаимодействия кварков и объясняет невозможность выделения кварка в свободном виде. Экспериментально возможно изучать кварки только внутри адронов.