5.3. Основные характеристики элементарных частиц

Превращениями и распадами элементарных частиц управляют три фундаментальных взаимодействия – сильное, электромагнитное и слабое. Гравитационное взаимодействие в этих процессах считается несущественным. Чем слабее взаимодействие, тем медленнее протекают определяемые им процессы.

Сильное взаимодействие имеет радиус действия  10^-15 м, характерное время определяемых им процессов  10^-23 с. Сильное взаимодействие скрепляет нуклоны в атомных ядрах.

Электромагнитное взаимодействие – дальнодействующее (радиус действия - бесконечность), характерное время определяемых им процессов не менее 10^-20 с. Электромагнитное взаимодействие управляет атомными электронами, то есть всем разнообразием веществ и химических реакций.

Слабое взаимодействие имеет радиус действия  10^-18 м, характерное время определяемых им процессов не менее 10^-10 с. Слабое взаимодействие – самое универсальное из трех, оно присутствует всегда, но является определяющим только при отсутствии других взаимодействий.

Все характеристики частиц можно разбить на две группы: геометрические характеристики, связанные со свойствами пространства–времени (масса m, спин I, пространственная четность P); внутренние квантовые числа, отражающие симметрию фундаментальных взаимодействий (электрический заряд Q, лептонный заряд L, барионный заряд B, изотопический спин T, странность S, очарование C, красота b, истинность t).

С каждой характеристикой связан какой-нибудь закон сохранения. Некоторые законы сохранения считаются абсолютно точными, другие – приближенными, верными для определенного класса реакций.

Масса частицы m – важнейшая характеристика частицы, которая соотношением Эйнштейна связывается с энергией покоя частицы. По значению масс покоя различаются: лептоны (легкие частицы), мезоны (средние, промежуточные частицы) и барионы (тяжелые частицы).

Законы сохранения энергии и импульса являются следствием однородности времени и пространства, и играют важную роль при анализе реакций. Из закона сохранения энергии следует, что распад нестабильной частицы может идти только по таким каналам, где сумма масс рожденных частиц меньше массы исходной частицы. Закон сохранения импульса, например, запрещает аннигиляцию электрон-позитронной пары с образованием одного гамма-кванта, так как в системе центра масс импульс пары равен нулю.

Спин частицы I – характеристика частицы, задающая единственное выделенное направление в системе отсчета, где частица находится. Большинство элементарных частиц имеет спин 1/2 (в единицах ħ). Существуют бесспиновые частицы (пи-, ка-мезоны и др.), а также частицы со спином равным 1 (фотоны) и 3/2 (омега-минус-гипероны и их античастицы).

Пространственная четность Р – чисто квантовое понятие, внутренняя характеристика частицы (как заряд, спин и др.), показывающая как ведет себя волновая функция частицы при замене x  -x; y  -y; z  -z. Возможны два результата: волновая функция не меняется (положительная четность, Р = +1) или изменяет знак (отрицательная четность, Р = -1). Электрон, протон, нейтрон имеют четность Р = +1, а фотон и пи-мезоны – четность Р = -1. Четность любого кварка равна Р = +1, четность антикварка Р = -1. Четность составной частицы (в состоянии с нулевым орбитальным моментом) равна произведению четностей составляющих ее частиц.

Нарушение закона сохранения пространственной четности для реакций было установлено только для процессов, определяемых слабыми взаимодействиями.

По знаку электрического заряда Q различаются положительные, отрицательные частицы, несущие заряд е и электрически нейтральные. Предполагается, что кварки и антикварки имеют дробный электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда выполняется во всех процессах.

Из вышесказанного следует, что все элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны и лептоны.

Лептонным зарядом L – называется характеристика, показывающая сохранение в любой реакции разности между числом лептонов и числом антилептонов данного вида, применяемая для того, чтобы отличить элементарные частицы, входящие в группу лептонов. Принимается, что все лептоны имеют L = +1, антилептоны L = -1. Для остальных элементарных частиц L = 0. Процессы, в которых участвуют лептоны, происходят так, что алгебраическая сумма лептонных зарядов сохраняется постоянной (закон сохранения лептонного заряда).

Барионным зарядом (ядерным или нуклонным зарядом) В – называется характеристика, показывающая сохранение в любой реакции разности между числом барионов и числом антибарионов данного вида, применяемая для того чтобы отличить элементарные частицы, входящие в группу барионов. Принимается, что для барионов В = 1, антибарионов В = -1, для остальных элементарных частиц В = 0. При всех ядерных превращениях в изолированной системе алгебраическая сумма барионных зарядов сохраняется неизменной (закон сохранения барионного заряда).

Изотопический спин Т – вектор, введеный в ядерной физике для отражения предположения о независимости ядерных сил от заряда взаимодействующих нуклонов. Изотопический спин имеет для обоих нуклонов значение Т =1/2, но разную проекцию на пространственную ось квантования z: Т_z = 1/2 для протонов и Т_z = - 1/2 для нейтронов. Два нуклона образуют изотопический дуплет. Свойства ядерной системы не меняются при вращении вектора Т. Квантовому числу Т нет аналогов в классической физике. Изотопический спин Т играет важную роль в мире элементарных частиц, в частности, для классификации адронов.

Странность S – характеристика, введенная при теоретическом объяснении некоторых странных особенностей поведения гиперонов (гипероны не рождались по одиночке и появлялись в реакциях столкновения нуклонов с участием сильных взаимодействий, но в которых сталкивающиеся нуклоны распадались за времена порядка 10^-10 с, соответствующие слабым взаимодействиям). Величина странности отлична от нуля только для странных элементарных частиц, равна нулю для всех остальных частиц и выражается формулой: S = 2(Q – T_z) – B, где Q – электрический заряд частицы в единицах е, T_z – проекция изотопического спина на ось квантования, В – барионный заряд, S = 0, 1, 2, 3,  - величина странности.

Очарование C (charm), красота b (beauty), истинность t (truth) – квантовые числа, аналогичные странности для характеристики элементарных частиц. Квантовые числа S, C, b, t сохраняются в сильных реакциях, но могут изменяться в слабых реакциях.