Классификация элементарных частиц.

В настоящее время известно около 400 элементарных частиц. Разработка проблемы систематизации элементарных частиц связана с идеей существования кварков – частиц с дробным элементарным зарядом. Согласно этой гипотезе, все адроны являются комбинациями кварков, кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем.

1. по массе частицы делят на группы:

• не имеют массы покоя (фотоны или кванты электромагнитного поля),

• легкие частицы – лептоны (электрон, позитрон, нейтрино),

• частицы средней массы – мезоны (-, -)

• тяжелые частицы – барионы (нуклоны: протоны и нейтроны),

• сверхтяжелые – гипероны (нестабильные частицы).

2. По электрическому заряду (знак):

• нет заряда (нейтрон, нейтрино, фотон),

• положительный заряд (протон),

• отрицательный заряд (электрон),

Величина зарядов частиц кратна заряду электрона = 1,6*10^-19 Кл = - 1

3. По спину – собственному моменту импульса частицы:

• бозоны (частицы с целым спином 0, 1, 2), например, частицы со спином 0 – при любом угле поворота выглядят одинаково, со спином 1 (фотон) – тот же вид после оборота на 360⁰ , со спином 2 (гравитон) – через пол-оборота на 180⁰.

• Фермионы (частицы с полуцелым спином 1/2, 3/2), например, частицы со спином 1/2- оборот на 720⁰ (протон, нейтрон, электрон),

4. По времени жизни:

• стабильные частицы - не самораспадающиеся, изменяются только при взаимодействии с другими частицами (электрон t5*10²¹ лет, протон t5*10³¹ лет, фотон, нейтрино),

• квазистабильные – распад за счет слабых и электромагнитных взаимодействий (свободный нейтрон, вне ядра атома, t распада =15 мин, -мезон t =10 ^-16 с),

• нестабильные - резонансы - распад за счет сильного взаимодействия (t =10 ^-22 -10 ^-24 с) (все другие частицы).

Для большинства элементарных частиц известны античастицы (имеют противоположный знак электрического заряда, а для нейтральных частиц – иной, чем у частицы магнитный момент, т.е. связанное с частицей магнитное поле ориентировано в другом направлении). Частицы способны к взаимопревращениям (например, распад нейтрона). Аннигиляция частиц и античастиц сопровождается выделением фотонов (переход вещества в излучение).

Фундаментальные физические взаимодействия.

В начале 80-х годов в физике элементарных частиц произошла подлинная революция, связанная с созданием единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий Глешоу-Вайнберга-Салама. Дальнейшие события не заставили себя ждать. В 1974 г. была предложена единая теория слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий. В 1976 г. была предложена новая теория, названная супергравитацией, в рамках которой впервые возникла реальная надежда на построение единой теории всех фундаментальных взаимодействий, включая гравитационные. В начале 80-х годов особую популярность приобрели теории типа Калуцы-Клейна, согласно которым размерность нашего пространства больше четырех, но часть измерений "скомпактифицировано", так что мы не можем двигаться в соответствующих направлениях. С конца 1984 г. внимание всех физиков-теоретиков привлечено к теории суперструн, согласно которой основным объектом теории являются не точечные элементарные частицы, а струноподобные образования очень малого размера.

В настоящий момент известны 4 фундаментальные физические взаимодействия (по мере убывания силы):

1. сильное,

2. электромагнитное,

3. слабое,

4. гравитационное.

Сильное взаимодействие

1. самое сильное по величине, больше чем электромагнитное, слабое, гравитационное,

2. проявляется внутри атомных ядер (удерживает положительно заряженные протоны в ядре от электростатического отталкивания), ядра очень устойчивы,

3. испытывают только протоны и нейтроны (в сильном взаимодействии участвуют только тяжелые частицы, ему не подвластны электроны, нейтрино, фотоны),

4. близкодействие - радиус действия примерно 10 ^-13 см (только в пределах ядра),

5. ответственно за образование атомных ядер и взаимодействия элементарных частиц.

6. источник огромной энергии (сильное взаимодействие вызывает термоядерные реакции в недрах звезд, водородная бомба),

Электромагнитное взаимодействие

1. по величине электрические силы намного превосходят гравитационные, но слабее сильного взаимодействия в 100-1000 раз,

2. электромагнитное поле создают только заряженные частицы (а не все, в отличие от гравитации),

3. одноименные электрические заряды и магнитные полюсы отталкиваются, а разноименные – притягиваются,

4. электромагнитное взаимодействие определяет структуру атомов (взаимодействие между электронами и ядрами атомов),

5. отвечает почти за все физические и химические процессы, за исключением ядерных (обуславливает силы упругости, трения, оптические явления, агрегатные состояния веществ),

6. дальнодействие (действие ощутимо на больших расстояниях от источника, хотя, подчиняясь закону обратных квадратов, убывает с расстоянием),

7. проявляется на всех уровнях организации материи – мега-, макро- и микромире, существует электромагнитное поле Земли, Солнца, галактик, наблюдается непосредственно (полярные сияния, вспышки молнии).

Слабое взаимодействие

1. проявляется только на уровне субатомных частиц.

2. близкодействие - радиус действия не более 10 ^-16 см от источника,

3. по величине слабее других взаимодействий (кроме гравитационного),

4. ответственно за -распад частиц (обнаружено с открытием радиоактивности), установлено, что слабое взаимодействие – это сила, вызывающая распад нейтронов, входящих в состав радиоактивного ядра, на 3 новые частицы: протон, электрон и нейтрино.

Гравитационное взаимодействие – первым стало предметом научного исследования с создания ньютоновской теории гравитации (закон всемирного тяготения), особенности :

1. малая интенсивность (это очень слабое взаимодействие, например, в 10⁴⁰ раз меньше электромагнитной силы),

2. универсальность (каждая частица во Вселенной сама является источником гравитации, вызывая гравитационное притяжение, и испытывает на себе действие гравитации со стороны других тел), гравитация возрастает с увеличением массы вещества,

3. гравитация проявляется только на уровне мегамира, в микромире – ее роль ничтожна,

4. дальнодействие – гравитационное взаимодействие распространяется в пространстве и играет роль в астрономических масштабах, хотя с расстоянием интенсивность его убывает (удерживает в целостности структуру Вселенной),

5. это только сила притяжения (гравитационное отталкивание неизвестно).

Подчеркнем, что почти все частицы испытывают все четыре взаимодействия. Исключение составляют лептоны, которые не взаимодействуют сильно, и частицы-переносчики, о которых следует сказать особо. Фотон и бозоны переносят электрослабое взаимодействие, глюоны - сильное. Все частицы испытывают действие гравитации.

Кварки

В 1964 г. Геллман и Цвейг выдвинули гипотезу: адроны состоят из элементарных дробно заряженных частиц - кварков.

Ква́рк — фундаментальная частица, обладающая электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдающаяся в свободном состоянии. Из кварков состоят адроны, в частности, протон и нейтрон. В настоящее время известно 6 разных «сортов» (чаще говорят — «ароматов») кварков, свойства которых даны в таблице. Кроме того, постулируется, что кварки обладают и дополнительной внутренней характеристикой, называемой «цвет». Каждому кварку соответствует антикварк с противоположными квантовыми числами.

название		англ.	заряд	масса
Первое поколение
d	нижний	down	−1/3	~ 4 МэВ/c2
u	верхний	up	+2/3	~ 6 МэВ/c2
Второе поколение
s	странный	strange	−1/3	150 МэВ/c2
c	очарованный	charm	+2/3	1,5 ГэВ/c2
Третье поколение
b	прелестный	beauty (bottom)	−1/3	4,5 ГэВ/c2
t	истинный	truth (top)	+2/3	171 ГэВ/c2

В силу неизвестных пока причин, кварки естественным образом группируются в три так называемые поколения (они так и представлены в таблице). В каждом поколении один кварк обладает зарядом +2/3, а другой — (−1/3).

Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат. Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо заметное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент). Разлететься могут лишь «бесцветные» комбинации кварков — адроны.