3. Классификации элементарных частиц.

В настоящее время, элементарные частицы делятся на четыре группы (таблица 2)

Название частицы	Частица	Анти-частица	Электр. заряд, е		Спин, ћ		Масса				L		B		Схема распада
Фотон				0		1		0		Стаб		0		0
Электрон					½				Стаб				0
Мюон					½		207						0
Тяжелый лептон					½		3500						0
Электронное нейтрино			0		½		0		Стаб				0
Мюонное нейтрино			0		½		0		Стаб				0
Тау-нейтрино			0		½		0						0
Пион					0		273				0		0
Пи-нуль-мезон				0		0		264				0		0
Каон					0		960				0		0
Ка-нуль-мезон			0		0		670				0		0
Эта-мезон				0		0		1000				0		0
Протон	p				½		1836		Стаб		0
Нейтрон	n		0		½		1839		720		0
Лямбда-гиперон			0		½		2300				0
Сигма-плюс-гиперон			+1		½		2300				0
Сигма-минус-гиперон			-1		½		2300				0
Сигма-нуль-гиперон			0		½		2600				0
Кси-нуль-гиперон			0		½		2600				0
Кси-минус-гиперон			0		½		2600				0
Омега-гиперон			-1		½		3600				0

1. Фотоны. Они не имеют электрического заряда и массы покоя. Их основные характеристики: энергия=, спин равен единице (S=1*ћ). Фотоны оптического диапазона появляются при переходах атомов и молекул из возбужденных состояний в состояния с меньшей энергией. Гамма-фотоны появляются в результате аналогичных процессов, происходящих внутри ядер. При торможении электронов высоких энергий могут быть получены фотоны. Если фотон тормозится при ударе об ядро, происходит образование пары электрон+позитрон:

Фотоны участвуют только в электромагнитных взаимодействиях.

2. Лептоны. Они получили название от греческого слова «лептос» - легкий, мелкий. (Лепта – мелкая греческая монета, отсюда выражение – внести свою лепту). Общее число лептонов невелико, их всего шесть: электрон, мюон, таон (-лептон) и три вида нейтрино-электронное нейтрино, мюонное нейтрино , и таонное нейтрино . Все частицы имеют античастицы. Нейтрино не имеют электрического заряда и массы покоя, подобно фотонам они движутся со скоростью света.

Все лептоны имеют спин, равный половине (S=1/2*ћ). Для того, чтобы отличить элементарные частицы, входящие в группу лептонов, им приписывается квантовое число L, называемое лептонным зарядом.

Считается, что все лептоны имеют лептонный заряд L=+1, а антилептоны L=-1. Все остальные элементарные частицы не имеют лептонного заряда, для них L=0. Таким образом, если электрон и позитрон различаются знаком электрического и лептонного зарядов (-e и +е), то нейтрино и антинейтрино различаются только знаком лептонного заряда.

Во всех реакциях выполняется не только закон сохранения электрического заряда, но и закон сохранения лептонного заряда. Например, нейтрон в свободном состоянии не стабилен (радиоактивен). Он самопроизвольно(с периодом полураспада Т=12 мин) распадается по схеме:

Где электронное антинейтрино. У нейтрона и протонаL=0 , у электрона L=+1; значит, должна быть частицы с L=-1, это антинейтрино (у антинейтрино l=+1).

Мюоны – элементарные частицы с массой покоя примерно в 207 раз больше массы электрона. Среднее время жизни. Впервые открыты в 1946 г. в космических лучах.

Самая тяжелая частицы среди лептонов –-лептон (таон), его масса, где– масса электрона (самого легкого лептона). Тау – лептон был открыт в 1975 г. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Спин всех лептонов равен ½.

3. Третий класс частиц – мезоны. Это сильно взаимодействующие нестабильные частицы. К ним относятся – мезоны, называемые пионами,– мезоны, называемые каонами и эта-мезон(-мезон).

-мезон и -мезон не имеют античастиц и называютсяабсолютно нейтральными частицами.

Общая характеристика мезонов – отсутствие спина (S=0). Масса частиц, входящих в эту группу находится в диапазоне 270-1000 . Среднее время жизни. Мезоны не имеют лептонного заряда (L=0). Мезоны обладают также слабым и электромагнитным взаимодействием.

4. Барионы. К ним относятся: 1) протон и антипротон

2) нейтрон и антинейтрон

3) гиперон и антигиперон

Это нестабильные частицы, с массой покоя в 2000-3000 раз больше массы электрона()

Все барионы имеют спин, равный половине. Все барионы участвуют в сильных взаимодействиях, и следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Барионы открыты в космических лучах в начале 20-ч годов ХХ столетия. С 1953г. их получают на ускорителях. За исключением протона, все барионы не стабильны, среднее время жизни ФОРМУЛА.

При распаде барионов наряду с другими частицами, образуется другой барион. Эта закономерность является проявлением закон сохранения барионного заряда. Всем барионам приписывается квантовое барионное число В=+1, антибарионам В=-1. Все остальные частицы не имеют антибарионного заряда (В=0). Для всех реакций с участием барионов выполняется закон сохранения барионного заряда.

Барионы и мезоны объединяют в один класс сильнодействующих частиц, называемых адронами (адрос – с греческого означает крупный, массивный).

5. Кварки

В 60-у годы ХХв. Возникли сомнения в том, что все частицы, называемые элементарными, полностью оправдывают свое название. Основание простое – этих частиц оказалось очень много (ФОРМУЛА).

В 1964 г. Гелл-ман и Дж.Цвейг предложили модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях (адроны) построены из более фундаментальных частиц – кварков, имеющих дробные квантовые числа, в частности они имеют дробный электрический заряд и, где е – заряд электрона. Сначала считали, что существует три кварка. Их обозначают буквами:

U, d, и S

И три антикварка:

Но потом, системы кварков пришлось расширить, появились кварки:

C, b и t

И соответственно антикварки:

Итого: 6 кварков и 6 антикварков.

В таблице 3 указаны свойства кварков. Кроме электрического заряда и спина кварки характеризуются квантовыми числами, которые называют «странность» и «очарование» (шарм или чарм)

	Тип кварка (аромат)	Электр. заряд, q	Барион. заряд, В	Спин, ћ	Странность, S	Очарование, C	Цвет
1	U (верхний)				0	0	ж.с.к.
2	d (нижний)				0	0	ж.с.к.
3	S (странность)				-1	0	ж.с.к.
4	C (очарование)				0	+1	ж.с.к.
5	b (прелестный)				0	0	ж.с.к.
6	t (истинный)				0	0	ж.с.к.
1					0	0	ф.о.з
2					0	0	ф.о.з
3					+1	0	ф.о.з
4					0	-1	ф.о.з
5					0	0	ф.о.з
6					0	0	ф.о.з

Таблица 3.

Согласно теории кварков, мезоны образуются из пары кварк-антикварк, например, -мезон () состоит изU-кварка и -антикварка; барионы состоят из трех кварков, например протон состоит из двухU-кварков и одного d-кварка, т.е. (U U d).

В связи с тем, что связанные состояния из трех кварков (типа SSS) противоречат принципу Паули, было введено понятие цвета кварка. Каждый кварк может существовать в трех «окрашенных» формах – желтый, синий и красный (смесь этих цветов дает «нулевой» белый цвет). Тогда S-кварки, образующие - гиперон (S S S), имеют неодинаковую окраску, и принцип Паули не нарушается. Таким образом «цвет», так же как «странность» и «очарование» - название квантового числа.

Сочетание цветов кварков в адронах должно быть таким, чтобы средний цвет адрона был нулевым. Например, в состав адрона входят кварки: U(ж), U(с), и d(к). В сумме получается белый цвет.

Антикварки окрашены в дополнительные цвета (антицвета), антицветом желтого является фиолетовый, синего – оранжевый, для красного – зеленый. Мезон, состоящий из кварка и антикварка, дают нулевой(белый) цвет.

В 1974 г. одновременно в двух лабораториях США была открыта частица с огромной массой (более трех масс нуклонов). В одной лаборатории ей дали название J , в другой , в связи с чем, эту частицу назвали(джей-пси-частицей). Вслед за этим открытием было открыто еще 6 ФОРМУЛА частиц.

Эти частицы состоят из четырех кварков.

Кроме U,d и S – кварков, в состав такой частиц входит четвертый «очарованный» кварк. Этот кварк отличается от других пяти тем, что квантовое число С (шарм или чарм) у него равно единице (С=1). Частицы, у которых С=+1, называются очарованными. У остальных, неочарованных кварков, чарм равен нулю (С=0). В состав мезонов и барионов С-кварк не входит.

В 1976 г. были открыты ипсилон частицы (частицы), в состав которых входит пятый кваркb. Впоследствии был открыт шестой кварк, обозначенный буквой t.

Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии оказались безуспешными. Это приводит к выводу о том, что кварки могут существовать только внутри адронов и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии.