5.4 Основные типы физических взаимодействий и классификация элементарных частиц

Элементарной называется частица, которая на современном уровне развития науки не обнаруживает внутренней структуры, а ее размеры недоступны измерению. Фундаментальным свойством всех элементарных частиц является их способность к взаимному превращению. Элементарные частицы принято классифицировать по тому типу взаимодействия, в которое они вступают, и по значению их собственного момента импульса (спина).

Сколько всего сил (взаимодействий) существует в природе? Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа фундаментальных физических взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Интенсивность взаимодействия характеризуется безразмерной константой взаимодействия А, определяющей вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.

Сильное взаимодействие ответственно за связь нуклонов в ядре. Оно обеспечивает исключительную прочность ядер, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях. Радиус сильного взаимодействия составляет 10^-15 м, константа взаимодействия А=10.

Электромагнитное взаимодействие осуществляется между заряженными частицами и телами. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Радиус действия электромагнитного взаимодействия не ограничен, А=10^-2.

Слабое взаимодействие ответственно за все виды -распада ядер, за многие распады элементарных частиц и за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим, константа взаимодействия А=10^-14.

Гравитационное взаимодействие – взаимодействие между массами. Это взаимодействие играет огромную роль в мега- и макромирах. Оно ответственно за стабильность Солнечной системы, формирует силу тяжести и т.п. В микромире в силу малости масс элементарных частиц гравитационным взаимодействием можно пренебречь по сравнению с остальными типами взаимодействий. Радиус действия гравитационного взаимодействия не ограничен, А=10^-39.

По типу характерных для частиц взаимодействий они делятся на четыре класса.

1. Фотоны – кванты электромагнитного поля, участвуют в электромагнитном взаимодействии, но не обладают сильным и слабым взаимодействиями.

2. Лептоны – частицы, не обладающие сильным взаимодействием (электрон, позитрон, мюон, нейтрино, антинейтрино и др.). Все лептоны участвуют в слабом взаимодействии, заряженные лептоны участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

3. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, участвуют также в слабом и электромагнитном взаимодействии (-мезон, К-мезон и др.)

4. Барионы – частицы, обладающие сильным взаимодействием (протон, нейтрон, все гипероны). Заряженные барионы участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами.

Важнейшей характеристикой элементарной частицы служит собственный момент количества движения или спин. Спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние и проявляющаяся во взаимодействиях. В квантовой механике доказывается, что спин может принимать только дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка ћ (ћ=h/2π). Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом (или просто спином) и может быть либо целым (0, 1, 2…), либо полуцелым (1/2, 3/2…).

По значению собственного момента импульса (спина) элементарные частицы делятся на два класса:

1. Фермионы – частицы с полуцелым спином, описывающиеся антисимметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Ферми- Дирака (электрон, протон, нейтрон и др.)

2. Бозоны – частицы с нулевым или целочисленным спином, описывающиеся симметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Бозе–Эйнштейна (-мезон, фотон).

Все лептоны и барионы являются фермионами, а мезоны и фотон – бозонами. Для коллективов фермионов справедлив принцип Паули, согласно которому в системе фермионов не может быть двух частиц, обладающих одинаковым набором квантовых чисел. Как уже отмечалось, принципом Паули объясняется заполнение электронных оболочек атомов (Периодическая система элементов Д.И. Менделеева). Кроме того, принцип Паули справедлив для атомного ядра (оболочечная модель), для электронов в металлах и полупроводниках и т.д.

Для коллектива бозонов принципа запрета Паули нет.

Все переносчики взаимодействий являются бозонами, а кварки и лептоны – фермионами. В связи с этим бозоны принято ассоциировать с взаимодействием, а фермионы – с веществом.

Использование термина «элементарные» становится неоправданным, когда мы говорим о почти 400 частицах и античастицах, открытых к настоящему времени. Развитие работ по классификации частиц все время сопровождалось поисками новых более фундаментальных частиц, из которых построены все адроны (барионы и мезоны). В 1964 г. независимо друг от друга Дж. Цвейг и Гелл-Манн высказали гипотезу о существовании т.н. кварков. Согласно теории Цвейга – Гелл-Манна все известные к тому времени адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков: u (от англ. “up”, т.е. “вверх”), d (dawn – вниз) и s (strange – странный или sideways – боковой) и соответствующих им антикварков. Кварки обладают дробным электрическим зарядом, полуцелым спином (т.е. являются фермионами) и рядом других характеристик. Мезоны состоят из пары кварк – антикварк, барионы из трех кварков (например протон имеет кварковую структуру uud). Кварки существуют только внутри адронов и не наблюдаются как изолированные объекты.

Увеличение числа элементарных частиц привело к необходимости расширения системы кварков. Пришлось постулировать существование еще трех кварков: с (charmed – очарованный), b (bottom – нижний или beauty – прелестный) и t (truth – истинный).

Реальное существование кварков подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, характер рассеяния быстрых электронов протонами свидетельствует о наличии внутри протона трех точечных рассеивающих центров с дробным электрическим зарядом, что полностью соответствует трехкварковой модели протона.

Как уже отмечалось, все попытки наблюдать кварки как изолированные объекты оказались безуспешными, эти частицы в принципе не могут существовать в свободном состоянии. Применительно к кваркам даже существует специальный термин конфайнмент (от английского confinement, что означает «тюремное заключение»). Причиной конфайнмента является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом. При малых расстояниях эти силы малы, однако с увеличением расстояния силы взаимодействия между кварками очень быстро растут, не позволяя кваркам вылететь из адрона.