Элементарные частицы
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ,
в узком смысле
- частицы, к-рые нельзя считать Состоящими из других частиц. В совр. физике
термин "Э. ч." используют в более широком смысле: так наз. мельчайшие частицы
материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами
(исключение составляет протон); иногда по этой причине Э. ч. называют субъядерными
частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются
составными системами.
Э. ч. участвуют в электромагнитном, слабом,
сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс Э. ч. их гравитационное
взаимод. обычно не учитывается. Все Э. ч. разделяют на три осн. группы.
Первую составляют т. наз. бозоны- переносчики электрослабого взаимодействия.
Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя
фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн
в вакууме (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость
распространения физ. воздействия и является одной из фундам. физ. постоянных;
принято, что с = (299792458
1,2) м/с.
Вторая группа Э. ч.- лептоны, участвующие
в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов:
электрон,
электронное
нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый
-лептон
и соответствующее нейтрино. Электрон (символ е) считается материальным
носителем наименьшей массы в природе mс, равной 9,1 x
10-28 г (в энергетич. единицах
0,511 МэВ) и наименьшего отрицат. электрич. заряда е = 1,6 x 10-19
Кл. Мюоны (символ
)
- частицы с массой ок. 207 масс электрона (105,7 МэВ) и электрич. зарядом,
равным заряду электрона; тяжелый
-лептон
имеет массу ок. 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа нейтрино
- электронное (символ vc), мюонное (символ
)
и
-нейтрино
(символ
) -
легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы.
Все лептоны имеют спин
(
- постоянная Планка), т. е. по статистич. св-вам являются фермионами (см.
Статистическая
термодинамика).
Каждому из лептонов соответствует античастица,
имеющая те же значения массы, спина и др. характеристик, но отличающаяся
знаком электрич. заряда. Существуют позитрон (символ е+) - античастица
по отношению к электрону, положительно заряженный мюон (символ
)
и три типа антинейтрино (символ
), к-рым приписывают противоположный знак особого квантового числа, наз.
лептонным зарядом (см. ниже).
Третья группа Э. ч,- адроны, они участвуют
в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют
собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу электрона.
Это наиб. многочисленная группа Э. ч. Адроны делятся на барионы - частицы
со спином
мезоны - частицы с целочисленным спином (О или 1); а также т. наз. резонансы
- короткоживущие возбужденные состояния адронов. К барионам относят протон
(символ
р) - ядро атома водорода с массой, в ~ 1836 раз превышающей
mс
и равной 1,672648 x 10-24 г (
938,3
МэВ), и положит. электрич. зарядом, равным заряду электрона, а также нейтрон
(символ
n) - электрически нейтральная частица, масса к-рой немного превышает массу
протона. Из протонов и нейтронов построены все ядра атомные, именно
сильное взаимод. обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном
взаимодействии протон и нейтрон имеют одинаковые св-ва и рассматриваются
как два квантовых состояния одной частицы - нуклона с изотопич. спином
(см.
ниже). Барионы включают и гипероны - Э. ч. с массой больше нуклонной:
-гиперон
имеет массу 1116 МэВ,
-гиперон-
1190 МэВ,
-гиперон
-1320 МэВ,
-гиперон-
1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами протона и электрона
(
-мезон, K-мезон).
Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положит. и отрицат. элементарным
электрич. зарядом). Все мезоны по своим сгатистич. св-вам относятся к бозонам.
Основные свойства Э.ч.
Каждая Э.
ч. описывается набором дискретных значений физ. величин (квантовых чисел).
Общие характеристики всех Э. ч. - масса, время жизни, спин, электрич. заряд.
В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся
на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными
(в пределах точности совр. измерений) являются: электрон (время жизни более
5 -1021 лет), протон (более 1031 лет), фотон и нейтрино.
К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного
и слабого взаимод., их времена жизни более 10-20 с. Резонансы
распадаются за счет сильного взаимод., их характерные времена жизни 10-22-10-24
с.
Внутренними характеристиками (квантовыми
числами) Э. ч. являются лептонный (символ L) и барионный (символ
В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех
типов фундам. взаимод. Для лептонных нейтрино и их античастиц
L
имеют
противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих античастиц
В
= -1.
Для адронов характерно наличие особых
квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные)
адроны - протон, нейтрон,
-мезоны.
Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе
и со сходными св-вами по отношению к сильному взаимод., но с разл. значениями
электрич. заряда; простейший пример -протон и нейтрон. Общее квантовое
число для таких Э. ч.-т. наз. изотопич. спин, принимающий, как и обычный
спин, целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится
и внутренняя четность, принимающая значения
1.
Важное св-во Э. ч.- их способность к взаимопревращениям
в результате электромагнитных или др. взаимодействий. Один из видов взаимопревращений
- т. наз. рождение пары, или образование одновременно частицы и античастицы
(в общем случае - образование пары Э. ч. с противоположными лептонными
или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных
пар е-е+, мюонных пар
новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков
cc-
и
bb-состояний
(см. ниже). Другой вид взаимопревращений Э. ч.- аннигиляция пары при столкновениях
частиц с образованием конечного числа фотонов (
квантов).
Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц
и 3 фотона - при суммарном спине, равном 1 (проявление закона сохранения
зарядовой четности).
При определенных условиях, в частности
при невысокой скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной
системы - позитрония е-е+ и мюония
Эти нестабильные системы, часто наз. водородоподобными атомами, их время
жизни в в-ве в большой степени зависит от св-в в-ва, что позволяет использовать
водородоподобные атомы для изучения структуры конденсир. в-ва и кинетики
быстрых хим. р-ций (см. Мезонная химия, Ядерная химия).
Кварковая модель адронов.
Детальное
рассмотрение квантовых чисел адронов с целью их классификации позволило
сделать вывод о том, что странные адроны и обычные адроны в совокупности
образуют объединения частиц с близкими св-вами, названные унитарными мультиплетами.
Числа входящих в них частиц равны 8 (октет) и 10 (декуплет). Частицы, входящие
в состав унитарного мультиплета, имеют одинаковые спин и внутр. четность,
но различаются значениями электрич. заряда (частицы изотопич. мультиплета)
и странности. С унитарными группами связаны св-ва симметрии, их обнаружение
явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из
к-рых построены адроны,-кварков. Считают, что адроны представляют собой
комбинации 3 фундам. частиц со спином 1/2: и-кварков,
d-кварков
и s-кварков. Так, мезоны составлены из кварка и антикварка, барионы
- из 3 кварков.
Допущение, что адроны составлены из 3
кварков, было сделано в 1964 (Дж. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман).
В дальнейшем в модель строения адронов (в частности, для того чтобы не
возникало противоречия с принципом Паули) были включены еще 2 кварка -
"очарованный" (с) и "красивый" (b), а также введены особые
характеристики кварков - "аромат" и "цвет". Кварки, выступающие как составные
части адронов, в свободном состоянии не наблюдались. Все многообразие адронов
обусловлено разл. сочетаниями и-, d-, s-, с- и b-кварков,
образующих связные состояния. Обычным адронам (протону, нейтрону,
-мезонам)
соответствуют связные состояния, построенные из и- и d-кварков.
Наличие в адроне наряду с и- и d-кварками одного s-, с-
или
b-кварка
означает, что соответствующий адрон - "странный", "очарованный" или "красивый".
Кварковая модель строения адронов подтвердилась
в результате экспериментов, проведенных в кон. 60-х - нач.
70-х гг. 20 в. Кварки фактически стали
рассматриваться как новые Э. ч.- истинно Э. ч. для адронной формы материи.
Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер
и дает основания предполагать, что они являются теми Э. ч., к-рые замыкают
цепь структурных составляющих в-ва. Существуют теоретич. и эксперим. доводы
в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием,
т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая
энергия или, иначе говоря, возникновение кварков в свободном состоянии
невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц в-ва.
Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления материи.
Краткие исторические сведения.
Первой
открытой Э. ч. был электрон - носитель отрицат. электрич. заряда в атомах
(Дж. Дж. Томсон, 1897). В 1919 Э. Резерфорд обнаружил среди частиц, выбитых
из атомных ядер, протоны. Нейтроны открыты в 1932 Дж. Чедвиком. В 1905
А. Эйнштейн постулировал, что электромагнитное излучение является потоком
отд. квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта.
Существование нейтрино как особой Э. ч. впервые предложил В. Паули (1930);
экспериментально электронное нейтрино открыто в 1953 (Ф. Райнес, К. Коуэн).
При исследовании космич. лучей были обнаружены:
позитрон (К. Андерсон, 1932), мюоны обоих знаков электрич. заряда (К. Андерсон
и С. Неддермейер, 1936),
и К-мезоны (группа С. Пауэлла, 1947; существование подобных частиц
было предположено X. Юкавой в 1935). В кон. 40-х - нач. 50-х гг. были обнаружены
"странные" частицы. Первые частицы этой группы - К+- и
К--мезоны,
Л-гипероны - были зафиксированы также в космич. лучах.
С нач. 50-х гг. ускорители превратились
в осн. инструмент исследования Э. ч. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон
(1956), анти-
-гиперон
(1960), а в 1964 - самый тяжелый W-гиперон.
В 1960-х гг. на ускорителях обнаружили большое число крайне неустойчивых
резонансов. В 1962 выяснилось, что существуют два разных нейтрино: электронное
и мюонное. В 1974 обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и
в то же время относительно устойчивые (по сравнению с обычными резонансами)
частицы, к-рые оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч.- "очарованных",
их первые представители открыты в 1976. В 1975 обнаружен тяжелый аналог
электрона и мюона -
-лептон,
в 1977 - частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981 - "красивые"
частицы. В 1983 открыты самые тяжелые из известных Э. ч.- бозоны
(масса
80
ГэВ) и Z° (
91
ГэВ).
Т. обр., за годы, прошедшие после открытия
электрона, выявлено огромное число разнообразных микрочастиц. Мир Э. ч.
оказался сложно устроенным, а их св-ва во многих отношениях неожиданными.
Лит.: Коккедэ Я., Теория кварков,
[пер. с англ.], М., 1971; Марков М. А., О природе материи, М., 1976; Окунь
Л.Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990.
