Глава 1. Взаимодействия элементарных частиц

1.1. Классификация элементарных частиц

    Со времен Ньютона и Лейбница под понятием "элементарная частица" подразумевался бесструктурный точечный объект. По мере накопления знаний о природе материи на протяжении только последних ста лет элементарными частицами считали сначала атомы, потом ядра, адроны. К 60-м годам прошлого века число элементарных частиц достигло сотни . Возник подозрение относительно их  "элементарности". Казалось, что природа не может быть столь расточительной. Все разнообразие этих частиц попытались объяснить наличием меньшего количества унифицированных элементарных объектов.     На современном уровне знаний элементарными считают 12 частиц и 12 античастиц или, как говорят, ароматов, а также 12 переносчиков взаимодействий. Все элементарные частицы – фермионы (их спин s = ћ/2), а все переносчики взаимодействия – бозоны (s = ћ).     В свободном состоянии наблюдается только 6 (из 12) элементарных частиц. Это – лептоны: электрон e⁻, мюон µ⁻, таон τ⁻, нейтрино электронное ν_e, нейтрино мюонное ν_µ, и нейтрино таонное ν_τ. Антинейтрино и положительно заряженные лептоны считаются античастицами. Лептоны – слабо взаимодействующие частицы.      Остальные 6 элементарных частиц – кварки – существуют только в связанном состоянии. Это относится и к 6 антикваркам. Кварки и антикварки – частицы, обладающие сильным взаимодействием. Кварки и антикварки имеют дробный электрический заряд: q = 2/3·e у u ("up" – верхний), c ("charm" – очарованный), t ("truth" – истинный или "top" – вершинный); соответственно заряд q = -2/3·e имеют антикварки:  ,  ,  . Заряд q = -1/3·e имеют кварки: d ("down" – нижний), s ("strange" – странный) и b ("beauty" – прелестный или "bottom" – донный), а заряд q = +1/3·e у антикварков:  ,  , .

Таблица 1.1. Элементарные частицы (ароматы)

Поколения	Лептоны		Кварки
I	e−	νe	u	d
	e+	e
II	µ−	νµ	c	s
	µ+	µ
III	τ−	νµ	t	b
	τ+	µ

    Комбинации из кварков и антикварков дают мезоны. Например: π⁻( d ), π⁺(u ), π⁰( u, d , s ).     Комбинация трех кварков создает барионы. Например: p(uud), n(udd).     Частицы, построенные из кварков и антикварков, называются адронами. Слово "адрон" происходит от греческого "хадрос" – сильный, поскольку все эти объекты участвуют в сильных взаимодействиях.     Все элементарные частицы (12 частиц и 12 античастиц) естественным образом разбиваются на три группы, или, как говорят, на три поколения фундаментальных фермионов. Каждое поколение содержит четыре частицы (и 4 античастицы). Самые легкие частицы образуют первое поколение. В каждом из последующих поколений заряженные частицы тяжелее, чем в предыдущем.     Фермионы первого поколения постоянно существуют в природе. Они в совокупности с фотонами являются той материей, из которой построена современная Вселенная. Из u и d-кварков состоят нуклоны, а значит, и ядра атомов, из электронов – атомные оболочки. Без электронных нейтрино не могли бы протекать реакции ядерного синтеза в Солнце и звездах.     Частицы второго и третьего поколений возникают во взаимодействиях адронов и лептонов высокой энергии в космических лучах или на ускорителях. Фермионы второго и третьего поколений играли важную роль в ранней Вселенной, в первые мгновения так называемого Большого Взрыва. В частности, число сортов (ароматов) нейтрино определило соотношение между распространенностями водорода и гелия во Вселенной. Фермионы второго и третьего поколений нестабильны, в результате распада все они быстро переходят в частицы первого поколения. Конечными продуктами всех превращений являются лептоны. Исключение составляет лишь протон. Однако есть предположение, что и протон распадается, хотя время его жизни очень велико – много больше 10³³ лет.