13. Современные представления об элементарных частицах

13.1 Классификация элементарных частиц

Квантовое свойство элементарных частиц выражается в их способности рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) в процессах их взаимодействия. Элементарные частицы – это кванты материи и соответствующих физических полей одновременно. Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания, что позволяет ввести понятие о четырех видах взаимодействия, которые принято называть фундаментальными.

Сильное взаимодействие или ядерное наблюдается в ядрах и представляет собой взаимное притяжение протонов и нейтронов и наблюдается на расстояниях порядка 10^-13 см, поэтому его называют короткодействующим. Именно сильное взаимодействие обеспечивает высокую устойчивость атомного ядра.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее ядерного, но оно также относится к сильнодействующим. Основу этого взаимодействия составляет связь с электромагнитным полем, носителем которого является фотон – квант электромагнитного поля. Это взаимодействие обуславливает взаимосвязь атомных электронов с ядром и связь атомов в молекулах. Это дальнодействующее взаимодействие.

Слабое взаимодействие оказывает незначительное по величине воздействие на поведения элементарных частиц, вызывая очень медленное изменение их состояния. Например, нейтрино, участвующее только в слабых взаимодействиях, беспрепятственно пронизывает Солнце или Землю. Слабое взаимодействие ответственно за медленные распады квазистабильных частиц. Оно короткодействующее и простирается на расстояния 10^-15 – 10^-22см.

Гравитационное взаимодействие отвечает за притяжение масс различных объектов и хорошо изучено по своим макроскопическим проявлениям. В мире элементарных частиц из-за их малой массы оно играет незначительную роль, и относится к дальнодействующим.

В природе, как правило, проявляется несколько типов взаимодействий, среди которых одно из них является господствующим. В космосе наибольшее значение имеют гравитационные силы, а в молекулах – электромагнитные.

Элементарные частицы – группа мельчайших частиц, не являющихся атомами или атомными ядрами. Исключение составляет протон – ядро атома водорода. Всего частиц более 350. Они характеризуются массой, зарядом, средним временем существования, спином и квантовыми числами.

В настоящее время в основе современной классификации элементарных частиц лежит их деление на два класса (рис. 13.1): сильно взаимодействующих (адроны) и слабо взаимодействующих (лептоны) частиц. Адроны делятся также на мезоны и барионы, а последние, в свою очередь, на нуклоны (нейтроны и протоны) и гипероны (λ, Σ, Ξ, Ω). Название «гипероны» происходит от греческого «гипер» — выше, так как они тяжелее протона, «барионы» — от греческого «барис» тяжелый. К лептонам относятся электроны, мюоны и нейтрино. Барионы (нуклоны, гипероны, барионные резонансы — короткоживущие частицы) при любых реакциях могут превращаться в протоны или из них получаться. Разность между числом барионов и антибарионов в системе называется барионным числом. В теории элементарных частиц существует закон сохранения барионного числа в любом процессе. Именно этим законом обусловлена невозможность аннигиляции протона и электрона в обычных условиях, потому что протон — это барион, а электрон — лептон. Закон сохранения барионных

Рис. 13.1 Схема классификации элементарных частиц

чисел обеспечивает также стабильность протонов. С точки зрения квантовой статистики, частицы с разными (целыми и полуцелыми) спинами могут также разделяться на фермионы (статистика Ферми) с полуцелым спином (1/2): электрон, нейтрон, мюон, протон, нейтрон, гиперон), бозоны (статистика Бозе) с целым (0,1) спином: пион (π-мезон), каон (K-мезон), фотон. Фермионы, все без исключения, возникают или аннигилируют парами. С другой стороны, бозоны могут рождаться или поглощаться по одному и группами по несколько частиц.

В дополнение к закону сохранения числа барионов Гелл-Манн и Нишиджима в 1953 г. ввели еще одну квантовую характеристику — странность S, для которой тоже существует закон сохранения, согласно которому странность сохраняется во всех сильных (ядерных) взаимодействиях, действующих на расстоянии около 10-13 см. Эти законы позволяют прогнозировать природу взаимодействия различных элементарных частиц. К концу 50-х годов нашего века численность и разнообразие элементарных частиц настолько выросли, что классификация их только по массе, заряду и спину, даже с учетом упомянутых законов сохранения барионного числа и странности, вызывала у физиков-теоретиков значительное неудовлетворение. Появлялись даже идеи, что за этим разнообразием скрывается некая симметрия.