4.Элементарные частицы

Понятие элементарности – относительно. Когда-то атомы считали элементарными (простейшими, неделимыми) частицами материи («атом» по-гречески – «неделимый»). В настоящее время элементарными называют субатомные частицы, размеры которых соизмеримы или меньше размеров атомного ядра.

Ещё 60 лет назад было известно 5 элементарных частиц, из которых, как предполагалось, состоял весь мир: протон (р), нейтрон (n), электрон (е), -квант и нейтрино (). Сейчас количество известных элементарных частиц уже достигает 400! Их «элементарность» (в смысле бесструктурности) вызывает большие сомнения, т.к. они распадаются, превращаются друг в друга и т.п. Более того, уже обнаружены «кирпичики», из которых состоят некоторые «элементарные» частицы.

Элементарные частицы весьма разнообразны по своим свойствам и характеристикам. Вот основные:

1. Масса покоя элементарных частиц изменяется в широких пределах. Например, масса покоя электрона составляет (в энергетических единицах – электрон-вольтах (эВ)) m_e= 0,51 МэВ. Масса покоя протона в 1840 раз больше и составляет m_p= 938 МэВ. -квант массы покоя не имеет (m_ = 0), а о массе покоя нейтрино сегодня известно лишь, что она меньше 30 эВ. Наиболее «тяжелой» из известных сейчас частиц является промежуточный бозон W⁺, масса которого примерно в 90 раз больше массы протона.

2. Среднее время жизни элементарных частиц изменяется от 10^-2410^-23 с – для резонансов, до  – для устойчивых частиц, каковыми считаются протон, электрон, -квант и нейтрино. Нейтрон радиоактивен: в свободном состоянии он живёт 15 минут и распадается на протон, электрон и антинейтрино (см.(10)).

3. Собственный момент импульса (спин – в единицах h) изменяется от 0 до 6. Элементарные частицы с полуцелым спином являются фермионами, частицы с целочисленными спинами – бозонами.

4. Элементарные частицы могут быть как электронейтраль-ными, так и иметь электрический заряд, кратный заряду электрона. Когда была обнаружена внутренняя структура нуклонов, оказалось, что «кирпичики», из которых они состоят (кварки), имеют электрические заряды, равные 1/3 и 2/3 от заряда электрона.

5. Элементарные частицы (в том числе и электронейтральные!), обладающие механическим моментом импульса (спином), отличным от нуля, могут иметь спиновый магнитный момент.

6. Каждой элементарной частице (Х) соответствует своя античастица . Частицы и античастицы имеют одинаковые массы, спины и время жизни. Все остальные характеристики у них противоположны. Некоторые частицы (например, -квант) тождественны своим античастицам.

Все элементарные частицы делятся на два больших класса – лептоны и адроны. Особую группу составляют частицы-переносчики (см. ниже). Адроны отличаются от лептонов тем, что они участвуют в ядерных («сильных» – см. п.4.1) взаимодействиях.

Известно шесть лептонов. Все они имеют полуцелый спин и являются фермионами. Лептоны делятся на три дублета, в каждом из которых есть своё нейтрино. Все лептоны пришлось объединить в один класс, т.к. они имеют один и тот же лептонный заряд, равный L = +1. Все их античастицы (антилептоны) имеют лептонный заряд L = –1. Во всех ядерных реакциях выполняется закон сохранения лептонного заряда. Так, реакция

возможна, т.к. суммарный лептонный заряд частиц, вступающих в реакцию (L = –1 – лептонный заряд антинейтрино), равен суммарному лептонному заряду после реакции (L = –1 – лептонный заряд позитрона, являющегося античастицей электрона). Лептонный заряд всех остальных частиц (p,n – не лептонов) равен нулю.

Адроны делятся на барионы (тяжелые частицы) и мезоны (частицы средней массы). Все они участвуют в сильных взаимодействиях, но барионы имеют барионный заряд (B = +1), а для мезонов В=0. Для антибарионов В = –1, и в ядерных реакциях выполняется закон сохранения барионного заряда.

Семейство адронов делится на мультиплеты, причём каждый мультиплет включает несколько модификаций одной и той же частицы. Барионный мультиплет (дублет) составляют нуклоны – протон и нейтрон, которые, как мы видели, могут превращаться друг в друга.

К адронам относятся и короткоживущие резонансы, распадающиеся в результате сильных взаимодействий за 10^-24  10^-23 секунды. Резонансы есть барионные (их барионный заряд В = +1 – для частиц и В = –1 – для античастиц) и мезонные, барионный заряд которых В=0.

Известно множество ядерных реакций, в которых участвуют элементарные частицы. Чтобы объяснить, почему одни реакции возможны, а другие никогда не реализуются, адронам пришлось приписать много квантовых характеристик – «зарядов» (подобных барионному заряду), получивших оригинальные названия – странность, очарование, прелесть, истинность и др. Законы сохранения этих характеристик и определяют, возможна ли та или иная ядерная реакция.