2. Классификация элементарных частиц

Проникновение в микромир связано с открытием элементарных частиц: в конце Х1Х в. был открыт электрон, в начале ХХ в. – фотон, протон, позитрон и нейтрон. После второй мировой войны стали использовать ускорители, создаю­щие условия высоких энергий и огромных скоростей, и установили существова­ние более трехсот элементарных частиц. Исторически сложившийся термин «элемен­тарные» продолжает использоваться, хотя его условность давно осознали.

Характеристики элементарных частиц: масса, заряд, время жизни, спин и квантовые числа. Масса покоя элементарных частиц определяется по отношению к массе покоя электрона. Не имеет массы покоя только фотон. По массе покоя частицы делятся на лептоны (легкие частицы: электрон и нейтрино); мезоны (средние частицы: масса от одной до тысячи масс электрона); барионы (тяжелые частицы: масса свыше тысячи масс электрона, в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы). Частицы имеют положительный, отрицательный или нулевой заряд. Каждой частице соответствуют античастицы с противоположным зарядом (кроме фотона и двух мезонов). В 60-гг. ХХ в. появилась гипотеза о существовании частиц с дробным электрическим зарядом – кварков. По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильным относятся фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон, они играют важнейшую роль в структуре макромира. Все остальные частицы относятся к нестабильным, они существуют около 10^-10– 10^-24 сек., а потом распадаются. Резонансами называются частицы со временем жизни 10^-23 – 10^-22 сек. Эти частицы распадаются еще до того, как покинут атом или ядро. Спин (от англ. – волчок, вращение) – собственный момент количества движения частиц. Свобода и поведение частиц существенно зависит от того, целое или полуцелое значение имеет спин.

Исходя из значения спина, элементарные частицы делятся на две группы: с полуцелым спином – фермионы (электрон, протон, нейтрон; поля фермионов остаются квантованными и обеспечивают переход в частицы); с целочисленным спином – бозоны (фотон, спин =1; поля бозонов переходят в классические поля, например, электромагнитное поле – свет, радиоволны). Фермионы образуют атом вещества, бозоны образуют излучение.

Фермионы делятся на класс лептонов и класс кварков. Лептоны включают 6 частиц и 6 античастиц (электрон, мюон, тау-лептон, 3 вида нейтрино). Лептоны играют важную роль в структуре мира. Кварки – электрически заряженные частицы, обладают «ароматом» и «цветом». Это – квантовые числа, выражающие определенные состояния частицы. Поскольку электрические заряды кварков имеют дробные значения, их экспериментальные поиски оказались безуспешными. Возникло предположение, что существование в природе дробного заряда возможно при условии, что кварки образуют связанные объединения, в которых суммарный электрический заряд равен либо 0, либо 1.

Кварки группируются по 2, 3 частицы, образуя адроны. Адроны делятся на 3 группы: барионы (комбинации из 3-х кварков), сюда относятся протон и нейтрон – фундаментальная основа атомных ядер; мезоны (сочетание кварка и антикварка), третья группа содержит частицы, образованные сочетанием трех антикварков, сюда относятся антипротон и антинейтрон, т.е. то, что составляет основу антивещества. Адроны – лишь небольшая часть всех образующихся из кварков частиц. Большую часть их составляют резонансы (нестабильные частицы).