Лекция 11. Элементарные частицы. Кварки.

1. Классификация элементарных частиц.

Элементарные частицы являются структурными элементами микромира. Первой из элементарных частиц был открыт электрон. На сегодняшний день известно около 350 элементарных частиц. Они различаются массой, электрическим зарядом, спином, временем жизни и рядом других характеристик.

• Масса элементарной частицы – это масса ее покоя. По массе элементарные частицы делятся на тяжелые (барионы), промежуточные (мезоны) и легкие (лептоны). Есть частицы, которые могут распространяться только со скоростью света с и не имеют массы покоя.

• Заряд элементарной частицы всегда кратен элементарному – заряду электрона е = 1.6 10^-19 Кл. Существуют электрически нейтральные частицы, их заряд равен 0.

• Спин элементарной частицы – это ее собственный момент импульса. Его наличие нельзя объяснить и даже представить себе с позиций классической механики, это чисто квантовомеханический эффект. По спину частицы делятся на фермионы (частицы с полуцелым спином) и бозоны (частицы с целочисленным спином). Фермионы подчиняются принципу Паули («индивидуалисты»), а бозоны – не подчиняются («коллективисты»).

• По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и резонансные. К стабильным частицам относятся фотон, электрон, нейтрино, протон и нейтрон, причем последний стабилен только в составе ядра, в свободном состоянии он распадается за время порядка 10 минут. Возможно, что протон также нестабилен, однако время его жизни больше, по крайней мере, 10³¹ с. Время жизни резонансных частиц имеет порядок 10^-22 с, они распадаются за счет сильного взаимодействия. Время жизни квазистабильных частиц превышает 10^-20 с, их распад происходит за счет слабого или электромагнитного взаимодействия.

2. Взаимные превращения элементарных частиц.

Нестабильные частицы, распадаясь и взаимодействуя, порождают другие элементарные частицы. Возможны различные варианты превращений частиц, говорят о различных каналах реакции. Результат реакции определяется законами сохранения, которые обязательно должны соблюдаться в каждой реакции. Ранее упоминалось, что сильным взаимодействиям, как наиболее интенсивным, соответствует максимальная симметрия и, как следствие, максимальное количество законов сохранения. Сохраняющимся величинам сопоставляются квантовые числа.

Стабильные частицы также могут превращаться в другие частицы. Чаще всего это происходит при аннигиляции частицы со своей античастицей. Так, пара электрон-позитрон, аннигилируя, могут породить 2, 3 или более -квантов. И обратно, -квант способен в присутствии третьего тела породить пару электрон-позитрон. Считается, что такие процессы непрерывно происходят в космосе, в частности, вблизи черных дыр (физический вакуум на самом деле не является абсолютной пустотой, а непрерывно порождает частицы).

Античастица может отличаться от своей частицы не только электрическим зарядом, но и другими характеристиками. Например, антинейтрон отличается от нейтрона знаком своего спина и может аннигилировать при встрече не только с нейтроном, но и с протоном.

Существуют абсолютно нейтральные частицы, тождественные со своими античастицами, например, фотон.

Создано много теорий антивещества и антиматерии, построенной из античастиц. Однако получить такое антивещество в лабораторных условиях практически невозможно, удалось получить лишь антиядра трития и гелия. Неясно, почему во Вселенной наблюдается столь резкое нарушение симметрии в сторону преобладания вещества над антивеществом, ведь все частицы должны были рождаться парами. Возможно, существуют другие Вселенные, состоящие из антивещества.