7.3 Элементарные частицы и их классификация

Элементарныминазываются частицы, у которых на данный момент не обнаружено внутренней структуры.

Электрон - элементарная частица. Как было указано выше, атомы состоят из электронов и ядер. Что касается ядер, то их внутренняя структура обнаружилась вскоре после их открытия. После открытия нейтронов начались интенсивные исследования ядерных сил (см. раздел 4).

В последние годы большого успеха достигла ядерная физика, изучая сильно взаимодействующие частицы - адроны (от греч. слова, означающего "сильный, крупный") на основе кварковой модели (кварк - от немецкого слова, означающего "творог"), т.е. в научном смысле - нечто двусмысленное, таинственное. Согласно этой модели (Гелл-Манн, Цвейг, 1963 г) любой адрон состоит из двух - трех истинно элементарных частиц - кварков. Кварк-частица с весьма необычными свойствами (например с дробными электрическими зарядами ± е/3. и ± 2е/3 и спином 1/2). Они пока экспериментально не обнаружены, предположительно потому, что не существуют в свободном состоянии. Кроме зарядов и спинов кварки имеют такие характеристики как "цвет", "аромат". Эта терминология введена для удобства описания и не имеет отношения к оптическим и ароматическим свойствам. Каждый кварк может находиться в одном из трех цветовых состояний, которые условно называют "красным", "синим" и "желтым".

Предполагается существование шести типов кварков (ароматов): правдивый (истинный), прелестный (красивый), очаровательный, странный, нижний и верхний. Столько же антикварков. Свойства кварков с различными "ароматами" различны, и поэтому их обозначают различными буквами, в порядке возрастания массы: u, d, s, c, t, b.

Адроны - общее название для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Все адроны делятся на две большие группы: барионы и мезоны.

Барионы (от греч. слова, означающего "тяжелый") - это адроны, состоящие из трех кварков.

Самые известные барионы - протон и нейтрон.

Поскольку ( если отвлечься от электрического заряда) свойства протонов и нейтронов отличаются не очень сильно, принимают, что различие между кварками u (от анг. слова up - вверх), и d (от анг. слова down - вниз) сводится в основном к различию величин их электрических зарядов.

Кваркам присваивают следующие значения атомного номера Z (число протонов) и массового числа А (A = Z+N, где N-число нейтронов)

u: Z = 2/3, A = 1/3;

d: Z = -1/3, A = 1/3.

Пользуясь ими, кварковую структуру протона и нейтрона можно записать при помощи формул:

Рис.7.1 Кварковая структура протона и нейтрона

Мезоны - это адроны с целым спином. Название произошло от греч. слова, означающего "средний", поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Мезон состоит из двух кварков (точнее, кварка и антикварка). Легчайшие из мезонов - пионы или p - мезоны: p ^-,⁺,⁰.

Более массивные - каоны К⁺, К^-, К⁰; их масса почти в два раза меньше массы протона.

Все остальные частицы (кроме фотонов), не участвующие в сильных взаимодействиях, называются лептонами. Семейство лептонов представлено шестью бесструктурными (точечными) частицами: электроном е^-, мюоном⁺,⁺и соответствующим этим частицам нейтрино (_е,,). Массы покоя стабильных элементарных частиц имеют следующие значения: масса протона m_p1,6710^-27кг, масса электрона m_e0,9110^-30кг. У фотона и всех типов нейтрино масса покоя равна нулю. Таким образом, окружающее нас пространство в конечном счете построено из кварков и лептонов по следующей схеме: из кварков образуются барионы, из барионов - атомные ядра, из ядер и электронов - атомы, из атомов - молекулы, а из молекул строятся, например, живые организмы и т. п.