Классификация элементарных частиц:

Элементарные частицы по типам фундамен­тальных взаимодействий обычно разделяют на следующие классы:

1. Адроны (от греч.- сильный, крупный) - общее название для частиц, наиболее активно участвующих в сильных взаимодействиях.

2. Лептоны (от греч. leptos—легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают только сильным взаимодействием; но участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд (нейтрино)— также и в электромагнитном взаимодействии;

3. Фотоны — кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаи­модействия, но участвуют в электромагнитном;

4. Гравитон – (неоткрытая пока частица) является переносчиком гравитационного взаимодействия.

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются:

• масса покоя m,

• время жизни t,

• спин J,

• электрический заряд Q.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отноше­нию к массе покоя электрона. Существуют элементарные час­тицы, не имеющие массы покоя, — фотоны. Остальные части­цы по этому признаку делятся на лептоны — легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны — промежуточные или средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы — тяже­лые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона, и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы, делятся на:

• стабильные,

• квазистабильные

• нестабильные (резонансы).

Стабиль­ными в пределах точности современных измерений являются элект­рон (t > 5 • 10²¹ лет), протон (t > 5 • 10³¹ лет), фотон и нейтрино.

К ква­зистабильным относятся частицы, распадающиеся за счет электромаг­нитного и слабого взаимодействий, их времена жизни t > 5 • 10^-20 с. При­мер квазистабильной частицы — нейтрон. Он распадается из-за сла­бого взаимодействия, среднее время жизни — 15,3 мин. Нестабильными (или резонансами) называют элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия; их характерные времена жизни t ~ 10^-22 - 10^-24 с.

Электрический заряд является другой важнейшей характери­стикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом (Q = 0, ±1, ±2.). Каж­дой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют ан­тичастицы с противоположным зарядом. Электрические заряды элементарных частиц являются целыми кратными величине е 1,6·10^-19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом (зарядом электрона).

Кроме того, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими ана­логов в классической физике: понятием "спина", или собст­венного момента количества движения микрочастицы, и по­нятием "квантовых чисел", выражающих состояние элемен­тарных частиц. Спин элементарных частиц является целым или полуцелым крат­ным постоянной Планка h.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами. К фермионам относятся лептопы (например, электрон и нейтрино) и барионы, состоящие из кварков (например, протон и нейтрон). Фермионы образуют материальные структуры.

Частицы с целым или нулевым спином называются бозонами. К бозонам относятся частицы с нулевой массой покоя (фотон, гравитон), а также мезоны, состоящие из кварков (например -мезоны). Они образуют поле взаимодействия (со­гласно квантовой теории поля) между фермионами.

Так, например материальные структуры образованы электронами и нуклонами (протонами и нейтронами, образующими ядра атомов), а электромагнитное поле взаимодействия между ними образуют фо­тоны (точнее сказать виртуальные фотоны).

Все известные адроны состоят либо из пары кварк-антикварк (мезоны), либо из трех кварков (барионы). Гипотеза кварков была предложена в 1967 г. американским физиком-теоретиком М. Гелл-Маном. Кварк – частица со спином ½ и дробным электрическим зарядом, составной элемент адронов.

Кварки и антикварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. Помимо спина, кварки имеют еще две внутренние степени свободы - "аромат" и "цвет" (степень свободы – независимое возможное изменение состояния физической системы, обусловленное вариациями ее параметров). Каждый кварк может находится в одном из трех цветовых состояний: "красном", "синем" и "жел­том". Что касается "ароматов", то их известно 5 и предполагается наличие шестого. Ароматы кварков обозначаются буквами u, d, s, с, b, t, которые соответствуют английским словам up - верхний, down - нижний, strange - странный , charm - очарованный , beauty - прелестный и tор -топ. Более того, каждому кварку соответствует его антикварк. Ни один кварк ни разу не был зарегистрирован в свобод­ном виде, несмотря на многолетние поиски. Кварки можно наблю­дать только внутри адронов.

После открытия кварков представления о строении материи приобрели известную законченность. В настоящее время в рамках так называемой стандартной модели считается, что все окружающее нас в природе состоит из фундаментальных частиц, участвующих в четыре фундаментальных взаимодействиях: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Фундаментальные частицы делятся на две группы: частицы – участники взаимодействий и частицы – переносчики взаимодействий. К частицам – участникам взаимодействий относятся кварки и лептоны. Все они имеют полуцелый спин, поэтому относятся к фермионам. Частицы – переносчики взаимодействий обеспечивают фундаментальные взаимодействия между кварками и лептонами за счет механизма обменного взаимодействия. К ним относятся фотоны (переносят электромагнитное взаимодействие), бозоны (обеспечивают слабое взаимодействие), глюоны (сильное взаимодействие), гравитон (неоткрытая пока частица – переносит гравитационное взаимодействие).

Согласно современным представлениям, структура элемен­тарных частиц описывается посредством непрерывно возни­кающих и снова распадающихся "виртуальных" частиц. Напри­мер, мезон строится из виртуального нуклона и антинуклона, которые в процессе аннигиляции непрерывно исчезают, а затем образуются снова.

Формальное привлечение виртуальных частиц означает, что внутреннюю структуру элементарных частиц невозможно опи­сать через другие частицы.

Виртуальные частицы в квантовой теории – это частицы, которые имеют такие же квантовые числа (спин, электрический и барионный заряды и др.), как и соответствующие реальные частицы, но для которых не выполняется обычная связь между энергией, импульсом и массой.

Основные положения современной атомистики могут быть сформулированы следующим образом:

1. Атом является сложной материальной структурой, представляет собой мельчайшую частицу химического эле­мента;

2. У каждого элемента существуют разновидности ато­мов (содержащиеся в природных объектах или искусственно синтезированные);

3. Атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого; эти процессы осуществляются либо самопро­извольно (естественные радиоактивные превращения), либо искусственным путем (посредством различных ядерных реакций).

Перечисленные три положения современной атомистики практически охватывают основное ее содержание.

Удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц пока нет. Многие ученые считают, что такую теорию можно создать только при учете космологических обстоятельств. Большое значение имеет исследование рождения элементарных частиц из вакуума в сильных гравитационных и электромагнитных полях, поскольку здесь устанавливается связь микро- и мегамиров. Фундаментальные взаимодействия во Вселенной, в мегамире определяют структуру элементарных частиц и их превращения. Очевидно, потребуется выработка новых понятий для адекватного описания структуры матери­ального мира.