5.2. Классы элементарных частиц

Для всех классов элементарных частиц можно отметить несколько общих свойств:

1. Частицы могут быть стабильными (электрон, протон, нейтрон) и нестабильными. Нестабильность частицы определяется ее временем жизни (или шириной энергетического интервала ∆E  ћ/∆t) и каналами протекания распада данной частицы. Резонансами называются нестабильные частицы с временем жизни  10^-23 с. Квазистабильными называются частицы с временем жизни много большим  10^-23 с.

2. Частицы могут быть истинно элементарными (фундаментальными или безструктурными – фотон, электрон, нейтрино, кварки) и составными (например, нуклон, состоящий из кварков).

3. Частица может быть либо бозоном (целый спин), либо фермионом (полуцелый спин).

4. Почти каждой частице соответствует античастица, у которой все заряды (электрический, барионный, лептонный) имеют противоположный знак.

5. Все элементарные частицы делятся на адроны (барионы и барионные резонансы, мезоны и мезонные резонансы) – сильно взаимодействующие частицы; лептоны (фермионы, не участвующие в сильном взаимодействии) и фундаментальные бозоны – переносчики взаимодействий.

Адроны (от греч. hadrós - большой, сильный) – самый многочисленный класс элементарных частиц, участвующих во всех фундаментальных взаимодействиях – гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом. За исключением стабильного протона (его время жизни больше 10³¹ лет), все другие адроны распадаются.

Адроны делятся на два больших класса – барионы (адроны со спином 1/2 - фермионы; только у омега-минус-гиперона спин равен 3/2), которые, в свою очередь, делятся на нуклоны (протоны и нейтроны) и гипероны, и мезоны (адроны с нулевым или вообще с целым спином - бозоны) (табл. 1). Открыто более 400 адронов. Все адроны состоят из кварков.

Лептоны (от греч. leptós – тонкий, легкий, то есть лептоны – частицы с маленькой массой) – истинно элементарные частицы (нет данных о внутренней структуре лептонов), не участвующие в сильном взаимодействии.

Лептоны разделяются на три семейства (дуплеты) – электрон е^- и его нейтрино _е ; мюон ^- и его нейтрино _; таон (тау - лептон) ^- и его нейтрино _. У всех шести лептонов имеются соответствующие античастицы: позитрон е⁺ и электронное антинейтрино _е^ ; плюс - мюон ⁺ и мюонное антинейтрино _^; плюс - таон ⁺ и таонное антинейтрино _^ (получается всего 12 лептонов).

Кварки – предполагаемые фундаментальные частицы со спином 1/2, то есть фермионы, из которых состоят все адроны. К кваркам относится принцип запрета Паули. Всего существует шесть разновидностей (или ароматов) кварков: u, d, s, c, b и t (от английских слов up - вверх, down - вниз, strange - странный, charm - очарование, bottom - дно, top - вершина). Однако оказалось, что может существовать не один, а три кварка с одним и тем же ароматом. Различие между ними описывается дополнительным квантовым числом – цветом (цветовым зарядом), значения которого R (красный), G (зеленый), B (синий). Соответственно, антикварки обладают цветами R^ (антикрасный), G^ (антизеленый), B^ (антисиний). Следовательно, всего существует 18 кварков и 18 антикварков. Смесь всех трех цветов считается бесцветной (белой). Пара кварк-антикварк обладает «скрытым» цветом. Кварки имеют дробный электрический заряд. Кварки u, c, t называют верхними, их заряд равен (+ 2e/3 ), а кварки d, s, b – нижними, их заряд равен (– e/3). Все барионы состоят из трех кварков, а все мезоны – из кварка и антикварка. Нуклоны состоят из легких кварков u и d. Из этих же кварков и их антикварков состоят -мезоны: ⁺-мезоны = ud^, ^--мезоны = du^, ⁰-мезоны = (uu^ + dd^)/2^1/2, то есть ⁺-мезоны и ^--мезоны являются античастицами друг друга, а ⁰-мезон совпадает со своей античастицей. Частицы, содержащие s-кварк, называют странными, содержащие c-кварк – очарованными. Адроны оказываются «бесцветными», как говорят, - «белыми», так как «цвет» и «антицвет» нейтрализуют друг друга по кварковой теории.

Гипероны – барионы, в состав которых входят более тяжелые кварки, чем u и d. Из кварков u, d и s можно составить шесть гиперонов со спином 1/2 и кварковыми составами: ⁰ (uds), ⁺ (uus), ⁰ (uds), ^- (dds), ⁰ (uss), ^- (dss), и гипероны со спинами 3/2 и кварковыми составами: ∆^- (ddd), ∆⁰ (udd), ∆⁺ (uud), ∆⁺⁺ (uuu), ^- (sss). Частицы с одинаковым кварковым составом могут носить разные названия. Кроме трех -мезонов, еще шесть мезонов со спином и орбитальным моментом, равными нулю, которые содержат s-кварк (К⁺, К⁰, К^0, К^-)

Глюоны (от англ. glue - клей) – один из видов обменных квантов – фундаментальных векторных бозонов, осуществляющих сильное взаимодействие (по аналогии с фотонами – квантами электромагнитного взаимодействия и векторными бозонами W⁺, W^-, Z⁰ – массивными частицами, являющимися квантами слабого взаимодействия), безмассовые (как и фотоны) частицы со спином 1.