Ядро. Элементарные частицы.

Классы элементарных частиц

1. Фотоны – переносчики электромагнитных взаимодействий. Не обладают сильным и слабым взаимодействием. Данную группу образуют γ - кванты электромагнитного поля. Являются бозонами. Спин фотонов S = 1.

2. Лептоны – слабовзаимодействующие частицы. Несут электрический заряд. Обладают электромагнитным взаимодействием. К ним относятся: электроны; мюоны; таоны; электронное нейтрино; мюонное нейтрино; тау-нейтрино. Лептоны являются фермионами. Их спин S = ½. Лептоны сильно не взаимодействуют.

3. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы. Составная часть адронов. Барионный заряд равен нулю. К ним относятся: π - мезоны; К- мезоны; η-мезоны. Распадаются с образованием мюонов и нейтрино. Обладают слабым взаимодействием. Заряженные мезоны – электромагнитным взаимодействием. С барионами взаимодействуют сильно. Они являются бозонами. Спин всех мезонов S = 0.

4. Барионы - сильно взаимодействующие частицы. Составная часть адронов. Барионный заряд равен единице. К ним относятся: нуклоны и нестабильные частицы большой массы – гипероны. Все барионы нестабильны кроме протона. При распаде кроме других частиц обязательно образуется барион. Они являются фермионами. Спин всех барионов S = ½.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА

1. τ - среднее время жизни – мера стабильности частицы выражается в секундах.

2. I - спин – собственный момент импульса частицы, относительно системы отсчета в которой он покоится. Единица измерения – перечеркнутая постоянная Планка ħ.

3. q - электрический заряд характеризует способность частицы участвовать в электромагнитном взаимодействии. Единица измерения элементарный заряд е.

4. m - масса частицы выражается в энергетических единицах (МэВ или ГэВ) в соответствии с соотношением Эйнштейна Е₀=mc².

5. Вектор собственного магнитного момента характеризует взаимодействие покоящейся частицы с внешним магнитным полем . Измеряется в единицах соответствующих магнетонов µ₀.

Особые свойства частиц

1. Лептонный заряд (L) – квантовое число, характеризует особенности протекания процессов с участием лептонов. У лептонов L = +1. У антилептонов L = -1. Остальные частицы не имеют лептонного заряда L = 0. Лептонный дублет имеет дополнительно свой «заряд»:

• электронный заряд – Le;

• мюонный заряд - Lµ;

• таонный заряд – Lτ.

• Полный лептонный заряд равен L= Le+ Lµ + Lτ.

2. С пиральность (λ) – проекция спина частицы на направление её движения. Удвоенная проекция спина на направление импульса частицы равна спиральности.

3. Барионный заряд (В) – характеризует особенности протекания процессов с участием барионов. У нуклонов и гиперонов В = +1, у антибарионов В = -1. Остальные частицы не имеют барионного заряда (В=0).

4. Изотопический спин (Т) - определяет зарядовое состояние частицы в мультиплете Т_З = 2Т+1 или число частиц в изомультиплете.

5. Средний электрический заряд (<Q>) – средний электрический заряд мультиплета.

6. Странность (S) – сохраняется в сильных взаимодействиях. Объясняет рождение странных частиц К-мезонов и гиперонов. Определяется средним и барионным зарядом S = <Q> - B .

7. Гиперзаряд (Y) – равен удвоенному значению среднего электрического заряда мультиплета Y = 2<Q> или Y=B+S.

8. Четность (Р) – характеризует поведение волновой функции при инверсии пространства. Инверсия не изменяет знак волновой функции Ψ, состояние описываемое этой функцией четное. Инверсия изменяет знак волновой функции Ψ, состояние - нечетное. Частицы, имеющие положительную внутреннюю четность (Р = +1), описываются четными волновыми функциями, а отрицательную четность (Р = -1) - нечетными волновыми функциями. Четность системы частиц равна произведению четностей отдельных частиц.

9. Очарование (С) – сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Подобно странности и четности. Очарованные частицы имеют С = +1, античастицы С = -1.

Законы сохранения

Закономерности в микромире регулируются многими законами сохранения. Некоторые из них приближенные и требуют дополнительной проверки. В таблице выполнение закона отмечено плюсом, а его нарушение  минусом.

Закон сохранения	Вид взаимодействия
	сильное	электро-магнитное	слабое
Энергии	+	+	+
Импульса	+	+	+
Момента импульса	+	+	+
Электрического заряда	+	+	+
Барионного заряда	+	+	+
Лептонного заряда	+	+	+
Изотопического спина	+		
Гиперзаряда (странности )	+	+	
Зарядового сопряжения	+	+	
Четности	+	+	
Комбинированной четности	+	+	

Законы сохранения отражают определенную симметрию системы:

• сохранение энергии есть следствие однородности времени;

• сохранение импульса обусловлено однородностью пространства;

• сохранение момента импульса  изотропностью пространства;

• закон сохранения четности связан с симметрией между левым и правым;

• закон сохранения зарядового сопряжения отражает симметрию частиц и античастиц;

• законы сохранения электрического , барионного и лептонного зарядов выражают особую симметрию волновой функции ;

• закон сохранения изотопического спина отражает изотропность изотопического пространства.

Нарушение одного из законов означает нарушение в данном взаимодействии соответствующего вида симметрии. Электромагнитное взаимодействие нарушает симметрию изотопического пространства, как следствие этого изотопический спин в электромагнитных взаимодействиях не сохраняется.

Следует отметить, что законы природы инвариантны относительно комбинированного преобразования. Суть этого преобразования заключается в одновременной замене частиц на античастицы и инверсии пространства и времени.

Кварки

Элементарные частицы расщеплены на два уровня: уровень адронов и уровень фундаментальных частиц, которыми являются лептоны.

Адроны считаются составными частицами. Эксперименты по неупругому рассеянию электронов установили зернистую структуру протона и нейтрона.

М.Гелл-Ман и независимо от него Дж. Цвейг (1964г), выдвинули гипотезу  все адроны (мезоны и барионы) построены из трех частиц, получивших название кварков. Кваркам приписывают дробные квантовые числа, в частности электрический заряд равный: +2/3, 1/3, +1/3. Кварки обозначаются буквами (от английского слова up  вверх), (down  вниз) (strange  странный), с (charm  очарование), b (botton или beauty  красота), t (top или true  истина, правда). Кроме кварков, существуют антикварки ( ).

Существует принцип кварк-лептонной симметрии: каждому кварку должен отвечать некоторый лептон и наоборот.

Имеется и три дублета антикварков.

По современным представлениям кварки и лептоны – первичные частицы. Они не имеют наблюдаемых размеров и структуры. Любое вещество в природе построено из лептонов и кварков.

Схема построения адронов следующая:

• каждый мезон состоит из одного кварка и одного антикварка ( );

• каждый барион  из трех кварков ( ).

Кварки имеют дополнительное квантовое число – цвет: желтый, синий, красный. Эти цвета являются основными и при смешении в равных пропорциях дают белый цвет.

У антикварков дополнительные к основным цветам: фиолетовый, оранжевый, зеленый, дающие в сумме с основным цветом белый цвет.

Сочетание цветов кварков в адронах должно быть таким, чтобы средний цвет адрона был нулевым (адрон должен быть «бесцветным»). В состав протона входят кварки: и (желтый), и (синий) и d (красный). В сумме получается нулевой (белый) цвет.

Соответственно мезоны, состоящие из кварка и антикварка, также имеют нулевой цвет.

Тип (аромат) кварка	Электри-ческий заряд, q	Барионный заряд, В	Спин S	Очарование, С	Цвет
	+⅔	+⅓	½	0	Желтый Синий Красный
	⅓	+⅓	½	0	То же
	⅓	+⅓	½	0	То же
	+⅔	+⅓	½	+1	То же
	⅓	+⅓	½	0	То же
	+⅔	+⅓	½	0	То же
	⅔	⅓	½	0	Фиолетовый Оранжевый Зеленый
	+⅓	⅓	½	0	То же
	+⅓	⅓	½	0	То же
	⅔	⅓	½	1	То же
	+⅓	⅓	½	0	То же
	⅔	⅓	½	0	То же

Цвет кварка подобен знаку электрического заряда и выражает различие в свойстве, определяющем взаимное притяжение и отталкивание кварков. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий (фотонами в электромагнитных взаимодействиях, мезонами в сильных взаимодействиях и т.д.) были введены частицы  переносчики взаимодействия между кварками.

Эти частицы называются глюонами (от английского слова glue - клей). Цвет кварка стал играть в сильных взаимодействиях ту же роль, что и электрический заряд в электромагнитных взаимодействиях. Кварки обладают цветовым зарядом, а переносчиками взаимодействия между кварками являются кванты цветового поля – 8 безмассовых частиц – глюонов. Эта теория напоминает электродинамику, и получила название квантовой хромодинамики – динамики цвета.

Экспериментальные данные указывают на реальное существование кварков. Попытки наблюдать кварки в свободном состоянии оказались безуспешными. Кварки могут существовать только внутри адронов и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии. К кваркам применяют термин конфайнмент (от английского слова confinement, что означает тюремное заключение).

При взаимодействии системы элементарных частиц цвет как квантовое число сохраняется. Существует особая цветовая симметрия, лежащая в основе теории взаимодействия кварков. Эта симметрия локальная, и мы неизбежно должны ввести калибровочные поля и кванты этих полей – глюоны. Важное отличие глюонов от фотонов состоит в том, что глюоны сами обладают цветовым зарядом, тогда как фотон электрически нейтрален. Поэтому глюоны взаимодействуют между собой и сами могут испускать и поглощать глюоны.

Кварковая модель строения вещества

Адроны участвуют в сильном и электрослабом взаимодействиях. Другие частицы принимают участие только в электрослабых процессах, получивших название лептонов (от греч. leptos - легкий). К ним относятся электрон, мюон, электронное и мюонное нейтрино, а также «тяжелый» тау-мезон (τ) и тау-нейтрино.

Из множества частиц, в пространстве квантовых чисел, получены упорядоченные группы – супермулътиплеты, представленные в таблицах 1 и 2

Т аблица 1

T3 Y	─1	─1/2	0	1/2	1
1		n		p
0	Σ─		Λ0,Σ0		Σ+
─1/2		Ξ─		Ξ0

Т аблица 2

T3 Y	─1	─1/2	0	1/2	1
1		K0		K+
0	π─		π 0,η		π +
─1/2		K─

Существование большого числа адронов, с одной стороны, и явная симметрия барионов и мезонов, с другой, позволили прийти к выводу – все они являются сложными системами, образованными из триплета субчастиц. Три новых объекта Гелл-Манн назвал кварками. Их обозначают буквами u, d, s, образованными от начальных букв английских слов up (вверх), down (вниз) и strange (странный).

Кварки являются фермионами. Они имеют дробный электрический и барионный заряд. Для антикварков , , все квантовые числа, исключая спин J, имеют обратные знаки.

В кварковой модели мезоны составлены из кварков и антикварков, а барионы из трех кварков.

АДРОНЫ
БАРИОНЫ СОСТОЯТ ИЗ ТРЕХ КВАРКОВ		МЕЗОНЫ СОСТОЯТ ИЗ ДВУХ КВАРКОВ
ГИПЕРОНЫ	НУКЛОНЫ	КАОНЫ	ПИОНЫ
Σ-, Σ0, Σ+, Λ0	n0, p+	K0, K+, K-	π +, π -, π0

Мезоны: , , π°-мезон – смесь и кварков.

Барионы: , .

s-кварк входит в состав странных мезонов:

К⁺= , К°= , К^─= , = ,

и странных барионов:

Λ°= , Σ⁺= , Σ^─= .

Совокупность квантовых чисел, отличающих один тип кварка от другого, принято называть ароматом (flavour).

Распады частиц объясняются просто как распады кварков.

Пример, распад нейтрона

происходит благодаря распаду d-кварка

.

Цвет. Поскольку кварк фермион, то возможны адроны из трех одинаковых кварков, например, Ω^─=sss, в состояниях, не удовлетворяющих принципу Паули. Эту проблему решили в 1965г. введя еще одну внутреннюю характеристику кварка – цвет. Кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний, условно называемых желтый, синий и красный. Цвета антикварков, называемые антицветами, являются дополнительными к цветам кварков, и соответственно называются фиолетовый, оранжевый и зеленый. Любой барион должен содержать кварки трех цветов. Так как кваркам приписаны основные цвета, то такая комбинация может быть названа белой или бесцветной. Мезоны являются смесью цвета и антицвета и они также бесцветны. Квантовое число цвет определяет цветовой заряд кварка. Введение цвета приводит к новой внутренней симметрии, используемой для построения теории взаимодействия кварков.

Очарованный кварк. Новый кварк назвали «очарованным» (charmed). Он обладает новым квантовым числом С, названным очарование или шарм.

Прелестный кварк. Новый кварк назвали «красивым» Новый кварк, названный b-кварком (от англ. beauty – красота). Он является носителем квантового числа b – красота или прелесть.

Истинный кварк. Существует шестой t-кварк (от англ. top – вершина), который называют истинным (от англ. truth) с квантовым числом t.

Сформулирован принцип кварк-лептонной симметрии:

каждому кварку должен отвечать некоторый лептон и наоборот. На данный момент лептон-кварковая симметрия имеет вид

Имеется и три дублета антикварков. Свойства, приписываемые кваркам, даны в таблице.

Тип кварка	Аромат	Масса, МэВ	Спин, J	Электрический заряд, Q	Барионный заряд, В	Странность, S	Очарование, С	Прелесть, b	Красота, t	Цвет
	+2/3	300	½	+2/3	+1/3	0	0	0	0	Желтый Синий Красный
	1/3	300	½	1/3	+1/3	0	0	0	0	То же
	1/3	500	½	1/3	+1/3	0	0	0	0	То же
	+2/3	1500	½	+2/3	+1/3	+1	+1	0	0	То же
	1/3	5000	½	1/3	+1/3	0	0	+1	0	То же
	+2/3	175000	½	+2/3	+1/3	0	0	0	+1	То же
	2/3	300	½	2/3	1/3	0	0	0	0	Фиолетовый Оранжевый Зеленый
	+1/3	300	½	+1/3	1/3	0	0	0	0	То же
	+1/3	500	½	+1/3	1/3	0	0	0	0	То же
	2/3	1500	½	2/3	1/3	1	1	0	0	То же
	+1/3	5000	½	+1/3	1/3	0	0	1	0	То же
	2/3	175000	½	2/3	1/3	0	0		1	То же

По современным представлениям кварки и лептоны – первичные частицы. Они не имеют наблюдаемых размеров и структуры. Любое вещество в природе построено из лептонов и кварков.

Схема построения адронов следующая:

• каждый мезон состоит из одного кварка и одного антикварка ;

• каждый барион  из трех кварков .

, .

Поскольку барионный заряд у барионов равен единице, каждому из кварков приписывают дробный барионный заряд, равный +1/3, антикваркам  1/3.

Кварковая структура адронов

ЧАСТИЦА	МАССА, МэВ	ЗАРЯД, е	ПРОЕКЦИЯ ИЗОСПИНА	КВАРКОВЫЙ СОСТАВ
π+	140	+1	+1
π0	135	0	0
π-	140	-1	-1
К+	494	+1	+½
К0	498	0	-½
К-	494	-1	-½
p+	938	+1	+½
n0	940	0	-½
L0	1115	0	0
Σ+	1189	+1	+1
Σ0	1192	0	0
Σ-	1197	-1	-1
Δ++	1236	+2	+³/₂
Δ-	1236	-1	-³/₂
Ξ-	1321	-1	-½
Ξ0	1345	0	+½
Ω-	1672	-1	0

Особое место занимает частица гиперон, имеющая спин 3/2 и странность, равную 3.Чтобы получить спин 3/2, спины кварков должны быть параллельными, но это противоречит принципу Паули.

Поэтому кваркам приписано дополнительное квантовое число – цвет: желтый, синий, красный. Эти цвета являются основными и при смешении в равных пропорциях дают белый цвет.

Антикваркам приписывают цвета – дополнительные к основным цветам: фиолетовый, оранжевый, зеленый, дающие в сумме с основным цветом белый цвет.

Сочетание цветов кварков в адронах должно быть таким, чтобы средний цвет адрона был нулевым (адрон должен быть «бесцветным»). В состав протона входят кварки: и (желтый), и (синий) и d (красный). В сумме получается нулевой (белый) цвет.

Цвет кварка (подобно знаку электрического заряда) стал выражать различие в свойстве, определяющем взаимное притяжение и отталкивание кварков. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий (фотонами в электромагнитных взаимодействиях, мезонами в сильных взаимодействиях и т.д.) были введены частицы  переносчики взаимодействия между кварками.

Эти частицы называются глюонами (от английского слова glue - клей). Они переносят цвет от одного кварка к другому, в результате кварки удерживаются вместе.

Система кварков включает кварки шести сортов (ароматов) (u, d, s, с, b, t), каждый из которых существует в трех цветовых разновидностях (желтой, синей и красной). Если учесть антикварки различных цветов, общее число кварков будет равно 36.

Экспериментальные данные указывают на реальное существование кварков. Попытки же наблюдать кварки в свободном состоянии оказались безуспешными. Кварки могут существовать только внутри адронов и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии. К кваркам применяют термин конфайнмент (от английского слова confinement, что означает тюремное заключение).

Причиной конфайнмента является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом. При малых расстояниях эти силы крайне малы, так что кварки оказываются практически свободными. Это состояние называется асимптотической свободой. Однако с увеличением расстояний между кварками силы взаимодействия очень быстро растут, не позволяя кваркам вылететь из адрона.