37.3. Характеристики елементарних частинок

Для описання властивостей елементарних частинок уводять ряд фізичних величин, значення яких визначають характеристики даної частинки. Найбільш загальні характеристики частинок наступні: маса, спін , електричний заряд Q, магнітний момент , час життя . Інші характеристики елементарних частинок будуть розглянуті в наступних підрозділах.

Маса визначає запас енергії у частинці. В фізиці елементарних частинок маса частинок (відповідно до співвідношення Ейнштейна W=mc²) звичайно виражається в енергетичних одиницях МеВ або ГеВ. Маса спокою відомих елементарних частинок коливається в широких межах: від нуля (фотон) до 100 m_p де m_p =938.3 МеВ – маса протона.

Спін – власний момент імпульсу елементарної частинки, що має квантову природу й не пов'язаний з обертанням частинки як цілого. Спін вимірюється в одиницях , тобто , де s – спінове квантове число. У мезонів s=0, у лептонів і баріонів спін напівцілий. Таким чином, мезони відносяться до бозонів і підлягають статистиці Бозе - Ейнштейна, а лептони й баріони є ферміонами й, отже, підпорядковані статистиці Фермі-Дірака.

Проекція спіна на будь-який фіксований напрямок z може приймати значення –s, -s+1,…, +s... Таким чином, частинка зі спіном s може перебувати в 2s+1 спінових станах (наприклад, при s=1/2 – у двох станах). Модуль вектора згідно з квантовою механікою дорівнює .

Електричний заряд Q – внутрішня характеристика елементарної частинки, що визначає її здатність до електромагнітної взаємодії. Оскільки електричні заряди можуть бути як позитивними, так і негативними, те електромагнітна взаємодія між зарядженими частинками може мати характер як притягання, так і відштовхування.

Електричний заряд всіх частинок, що існують у вільному стані, приймає цілочисельні значення Q=ne, де ; e=1.610^-19 Кл – елементарний заряд.

Магнітний момент окремих елементарних частинок з ненульовою масою спокою характеризує їхню взаємодію із зовнішнім магнітним полем.

Магнітний момент частинки і її спін зв'язані співвідношенням

де  – гіромагнітне співвідношення (див. § 19.2). Частинки з нульовим спіном не мають магнітного моменту. Наявність електричного заряду в частинки не є необхідною умовою існування в неї магнітного моменту – деякі електрично нейтральні частинки (наприклад, нейтрон n) мають відмінні від нуля магнітні моменти, що можна пояснити нерівномірним розподілом заряду усередині таких частинок.

Магнітний момент вважається додатним якщо >0, тобто в цьому випадку вектор магнітного моменту паралельний спіну , у противному випадку (<0) магнітний момент є від’ємним і .

Магнітний момент елементарних частинок звичайно виражають в одиницях відповідних магнетонів , де m – маса частинки. Для електрона (m=m_е) величина називається магнетоном Бору , а для протона (m=m_p ) значення являє собою ядерний магнетон .

Час життя  елементарних частинок – міра їх стабільності. Величина  відомих елементарних частинок коливається від  10^-24 с до нескінченності. Залежно від часу життя елементарні частинки діляться на стабільні, квазістабільні й нестабільні. Стабільними є електрон, протон, фотон і нейтрино. До квазістабільних відносяться частинки, що народжуються за рахунок електромагнітної й слабкої взаємодій; їх час життя с. Прикладом квазістабільної частинки є нейтрон, у якого час життя =896 с (див. таблицю 37.1). Нестабільні частинки народжуються під дією сильної взаємодії. До них відносяться резонанси з характерним часом життя 10^-24 – 10^-23 с.

Інші характеристики елементарних частинок специфічні, тобто властиві окремим видам частинок, виділеним усередині адронів, і будуть розглянуті в наступних підрозділах.