Основные характеристики элементарных частиц кратко

Обновлено: 02.07.2024

Элементарные частицы, в узком смысле - частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц. В современной физике термин "элементарные частицы" используют в более широком смысле: так называют мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами.

Элементарные частицы участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс элементарных частиц их гравитационное взаимодействие обычно не учитывается. Все элементарные частицы разделяют на три основные группы. Первую составляют так называемые 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 физического воздействия и является одной из фундаментальных физических постоянных; принято, что с = (299792458±1,2) м/с.

Вторая группа элементарных частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый τ-лептон и соответствующее нейтрино. Электрон (символ e) считается материальным носителем наименьшей массы в природе m_e, равной 9,1×10 -28 г (в энергетических единицах ≈0,511 МэВ) и наименьшего отрицательного электрического заряда e = 1,6×10 -19 Кл. Мюоны (символ μ - ) - частицы с массой около 207 масс электрона (105,7 МэВ) и электрическим зарядом, равным заряду электрона; тяжелый τ-лептон имеет массу около 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа нейтрино - электронное (символ ν_e), мюонное (символ ν_μ) и τ-нейтрино (символ ν_τ) - легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы.

Основные свойства элементарных частиц

Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений физических величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех элементарных частиц - масса, время жизни, спин, электрический заряд.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности современных измерений) являются: электрон (время жизни более 5×10 21 лет), протон (более 10 31 лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимодействий, их времена жизни более 10 -20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимодействия, их характерные времена жизни 10 -22 – 10 -24 с.

Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундаментальных взаимодействий. 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, π-мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными свойствами по отношению к сильному взаимодействию, но с различными значениями электрического заряда; простейший пример – протон и нейтрон. Общее квантовое число для таких элементарных частиц – так называемый изотопический спин, принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения ±1.

Важное свойство элементарных частиц – их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или других взаимодействий. Один из видов взаимопревращений - так называемое рождение пары, или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае - образование пары элементарныех частиц с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар e - e + , мюонных пар μ + μ - новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb-состояний (см. ниже). Другой вид взаимопревращений элементарных частиц - аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (γ-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 e - e + и мюония μ + e - . Эти нестабильные системы, часто называемые водородоподобными атомами. Их время жизни в веществе в большой степени зависит от свойств вещества, что позволяет использовать водородоподобные атомы для изучения структуры конденсированного вещества и кинетики быстрых химических реакций (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 свойствами, названные унитарными мультиплетами. Числа входящих в них частиц равны 8 (октет) и 10 (декуплет). Частицы, входящие в состав унитарного мультиплета, имеют одинаковые спин и внутреннюю четность, но различаются значениями электрического заряда (частицы изотопического мультиплета) и странности. С унитарными группами связаны свойства симметрии, их обнаружение явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из которых построены адроны, – кварков. Считают, что адроны представляют собой комбинации 3 фундаментальных частиц со спином ½: n-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 различными сочетаниями n-, d-, s-, с- и b-кварков, образующих связные состояния. Обычным адронам (протону, нейтрону, π-мезонам) соответствуют связные состояния, построенные из n- и d-кварков. Наличие в адроне наряду с n- 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 конце 60-х – начале 70-х гг. XX в. Кварки фактически стали рассматриваться как новые элементарные частицы – истинно элементарные частицы для адронной формы материи. Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер и дает основания предполагать, что они являются теми элементарными частицами, которые замыкают цепь структурных составляющих вещества. Существуют теоретические и экспериментальные 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 вещества. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления материи.

Краткие исторические сведения

Первой открытой элементарной частицей был электрон - носитель отрицательного электрического 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 отдельных квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Существование нейтрино как особой элементарной частицы впервые предложил В.Паули (1930); электронное нейтрино открыто в 1953 (Ф.Райнес, К.Коуэн).

При исследовании космических лучей были обнаружены: позитрон (К.Андерсон, 1932), мюоны обоих знаков электрического заряда (К.Андерсон и С.Неддермейер, 1936), π- и K-мезоны (группа С.Пауэлла, 1947; существование подобных частиц было предположено X.Юкавой в 1935). В конце 40-х – начfkt 50-х гг. были обнаружены "странные" частицы. Первые частицы этой группы - K + - и К - -мезоны, Λ-гипероны – были зафиксированы также в космических лучах.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент исследования элементарных частиц. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти- Σ-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, которые оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц - "очарованных", их первые представители открыты в 1976. В 1975 обнаружен тяжелый аналог электрона и мюона - τ-лептон, в 1977 - частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981 - "красивые" частицы. В 1983 открыты самые тяжелые из известных элементарных частиц – бозоны W ± (масса ≈80 ГэВ) и Z° (≈91 ГэВ).

Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, выявлено огромное число разнообразных микрочастиц. Мир элементарных частиц оказался сложно устроенным, а их свойства 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.

Барионы - адроны, состоящие из трёх кварков (qqq) и имеющие барионное число B = 1.

Класс барионов объединяет в себе нуклоны (p, n) и нестабильные частицы с массой большей массы нуклонов, получившие название гиперонов ( ). Все гипероны обладают сильным взаимодействием, и следовательно активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен 1/2 , так что барионы являются фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде бариона, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барионного заряда.

Мезоны - адроны, состоящие из кварка и антикварка ( ) и имеющие барионное число B = 0.

Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежат -мезоны или пионы ( ), K-мезоны, или каоны ( ), и -мезоны. Массы и мезонов одинакова и равна 273,1 , 264,1 время жизни, соответственно, и с. Масса К-мезонов составляет 970 . Время жизни К-мезонов имеет величину порядка с. Масса эта-мезонов 1074 , время жизни порядка с. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.

Калибровочные бозоны - частицы, осуществляющие взаимодействие между фундаментальными фермионами (кварками и лептонами). Это частицы W + , W – , Z 0 и восемь типов глюонов g. Сюда же можно отнести и фотон γ.

Свойства элементарных частиц

Каждая частица описывается набором физических величин – квантовых чисел, определяющих её свойства. Наиболее часто употребляемые характеристики частиц следующие.

Масса частицы, m. Массы частиц меняются в широких пределах от 0 (фотон) до 90 ГэВ (Z-бозон). Z-бозон - наиболее тяжелая из известных частиц. Однако могут существовать и более тяжелые частицы. Массы адронов зависят от типов входящих в их состав кварков, а также от их спиновых состояний.

Время жизни, τ. В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные частицы, имеющие относительно большое время жизни, и нестабильные.

К стабильным частицам относят частицы, распадающиеся по слабому или электромагнитному взаимодействию. Деление частиц на стабильные и нестабильные условно. Поэтому к стабильным частицам принадлежат такие частицы, как электрон, протон, для которых в настоящее время распады не обнаружены, так и π 0 -мезон, имеющий время жизни τ = 0.8×10 - 16 с.

К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Их обычно называют резонансами. Характерное время жизни резонансов - 10 - 23 -10 - 24 с.

Спин J. Величина спина измеряется в единицах ħ и может принимать 0, полуцелые и целые значения. Например, спин π-, К-мезонов равен 0. Спин электрона, мюона равен 1/2. Спин фотона равен 1. Существуют частицы и с большим значением спина. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака, с целым спином - Бозе–Эйнштейна.

Электрический заряд q. Электрический заряд является целой кратной величиной от е = 1,6×10 - 19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом. Частицы могут иметь заряды 0, ±1, ±2.

Внутренняя четность Р. Квантовое число Р характеризует свойство симметрии волновой функции относительно пространственных отражений. Квантовое число Р имеет значение +1, -1.

Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые приписывают только отдельным группам частиц.

Квантовые числа: барионное число В, странность s, очарование (charm) с, красота (bottomness или beauty) b, верхний (topness) t, изотопический спин I приписывают только сильновзаимодействующим частицам - адронам.

Лептонные числа L_e, L_μ, L_τ. Лептонные числа приписывают частицам, образующим группу лептонов. Лептоны e, μ и τ участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны ν_e, n_μ и n_τ участвуют только в слабых взаимодействиях. Лептонные числа имеют значения L_e, L_μ, L_τ = 0, +1, -1. Например, e - , электронное нейтрино n_e имеют L_e = +l; , имеют L_e = - l. Все адроны имеют .

Барионное число В. Барионное число имеет значение В = 0, +1, -1. Барионы, например, n, р, Λ, Σ, нуклонные резонансы имеют барионное число В = +1. Мезоны, мезонные резонансы имеют В = 0, антибарионы имеют В = -1.

Странность s. Квантовое число s может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 и определяется кварковым составом адронов. Например, гипероны Λ, Σ имеют s = -l; K + - , K – - мезоны имеют s = + l.

Charm с. Квантовое число с может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие с = 0, +1 и -1. Например, барион Λ + имеет с = +1.

Bottomness b. Квантовое число b может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие b = 0, +1, -1. Например, В + -мезон имеет b = +1.

Topness t. Квантовое число t может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружено всего одно состояние с t = +1.

Изоспин I. Сильновзаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина, чётности, барионного числа, странности и др. квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях) - изотопические мультиплеты. Величина изоспина I определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет, n и р составляет изотопический дуплет I = 1/2; Σ + , Σ - , Σ 0 , входят в состав изотопического триплета I = 1, Λ - изотопический синглет I = 0, число частиц, входящих в один изотопический мультиплет, 2I + 1.

G - четность - это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременной операции зарядового сопряжения с и изменения знака третьего компонента I изоспина. G-четность сохраняется только в сильных взаимодействиях.

Элементарные частицы были впервые открыты и изучены в ходе исследования ядерных процессов. В связи с этим в течение долгого времени физика элементарных частиц являлась одним из разделов ядерной физики. И только с середины 20 -го века физика элементарных частиц выделилась в отдельное, самостоятельное направление. Оба эти раздела физики до сих пор объединяются общностью изучаемых явлений и применяемых методов исследования. Но есть у этих направлений и отличия. Основной задачей физики элементарных частиц является исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц.

Из истории вопроса

Первым из тех, кто задумался о существовании мельчайших частиц, из которых состоят все вещества и окружающие предметы, был древнегреческий философ Демокрит. Он был первым, кто высказал предположение о существовании фундаментальных частиц. Согласно письменным источникам, случилось это в 4 веке до нашей эры. Демокрит дал название атому и определил, что это неделимая частица материи.

В течение ряда веков понятие об атомах носило скорее философский, чем физический смысл. И только начиная с 19 века представление об атомах стали использовать сначала для объяснения химических, а затем и физических процессов.

В 30 -е годы 19 столетия Макс Фарадей ввел в обиход понятие иона в рамках теории электролиза, а также выполнил изменение элементарного заряда. К концу столетия Антуан Анри Беккерель открыл явление радиоактивности, Джозеф Томсон установил существование электронов, Эрнест Резерфорд - α -частиц. В первые пять лет 20 века Альберт Эйнштейн разработал учение о фотонах (квантах электромагнитного поля). Все эти открытия были бы невозможны без понятия об атомах.

В течение первой трети 20 века было установлено, что атом имеет сложное строение, которое предполагает наличие ядра и расположенных вокруг него электронов. Эрнест Резерфорд предложил орбитальную модель строения атома, согласно которой электроны движутся вокруг ядра по определенным орбитам. Он же во время опытов по расщеплению ядер атомов установил существование протонов.

Открытие нейтронов принадлежит известному английскому физику Джеймсу Чедвику. Он установил, что ядра атомов имеют сложное строение. Так возникла протон-нейтронная теория строения ядер, разработкой которой занимались немецкий исследователь Вейнер Гейзенберг и наш соотечественник, физик-теоретик, лауреат Сталинской премии Дмитрий Дмитриевич Иваненко.

Существование позитрона было предсказано англичанином Полем Дираком. Эта положительно заряженная частица, имеющая такую же массу и такой же (по модулю) заряд, что и электрон, была открыта американским физиком-экспериментатором Карлом Дейвидом Андерсеном в космических лучах.

В тридцатых годах 20 -го века были открыты взаимные превращения нейтронов и протонов. Было установлено, что элементарные частицы не являются неизменными. В это же время были открыты мюоны– частицы, масса которых составляет 207 электронных масс, а затем и пионы – частицы, которые обеспечивают взаимодействие между нуклонами в ядре атома.

До середины 20 века было открыто большое количество элементарных частиц. Это стало возможно благодаря широкому исследованию космических лучей, внедрению ускорительной техники, развитию ядерной физики.

Виды частиц

В наше время известно порядка 400 элементарных или субъядерных частиц. Большинство из них нестабильно: одни частицы могут самопроизвольно превращаться в другие с течением времени. Исключением из этого являются нейтрино, фотон, протон и электрон.

По продолжительности существования выделяют следующие группы частиц:

относительно стабильные, время жизни которых превосходит 10 – 17 с ;
короткоживущие, время жизни которых порядка 10 – 22 – 10 – 23 с .

Основые свойства элементарных частиц

Одним из наиболее важных свойств элементарных частиц является их способность к взаимным превращениям. Частицы способны поглощаться (возникать) и испускаться (исчезать). Это относится как к стабильным, так и к нестабильным частицам. Разница лишь в том, что стабильные частицы могут превращаться не самопроизвольно, а в результате взаимодействия с другими частицами.

В процессе аннигиляции (исчезновения) позитрона и электрона появляется фотон большой энергии.

При столкновении фотона, несущего достаточный заряд энергии, с ядром атома появляется электрон-позитронная пара.

Частицы и античастицы

Электрон является двойником позитрона. Антипротон отличается от протона наличием у него отрицательного электрического заряда. Нейтрон не имеет заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента и барионного заряда.

Наличие античастиц установлено для всех элементарных частиц. Встреча частицы и античастицы сопровождается аннигиляцией, в результате которой обе частицы превращаются в кванты излучения или частицы других видов.

Ученые предполагают существование антивещества. Теоретически, это возможно, если в ядре будут антинуклоны, а в оболочке атома позитроны. Взаимодействие вещества и антивещества может привести к выделению огромного количества энергии, которое будет превосходить энергию ядерных и термоядерных реакций.

Группы элементарных частиц

Информацию об основных элементарных частицах мы собрали в таблицу. Размещение частиц соответствует существующей ныне системе классификации элементарных частиц. Каждая из частиц имеет ряд характеристик: время жизни, масса, выраженная в электронных массах, электрический заряд в единицах элементарного заряда и спин, который также носит название момента импульса, выраженный в единицах постоянной Планка ħ = h 2 π .

Группа		Название частицы	Символ		Масса (в электронных массах)	Электрический заряд	Спин	Время жизни (с)
Группа		Название частицы	Частица	Античастица	Масса (в электронных массах)	Электрический заряд	Спин	Время жизни (с)
Фотоны		Фотон	γ		0	0	1	Стабилен
Лептоны		Нейтрино электронное	ν e	ν e ~	0	0	1 2	Стабильно
		Нейтрино мюонное	ν μ	ν μ ~	0	0	1 2	Стабильно
		Электрон	e –	e +	1	– 1 1	1 2	Стабилен
		Мю-мезон	μ –	μ +	206 , 8	– 1 1	1 2	2 , 2 · 10 – 6
Адроны	Мезоны	Пи-мезоны	π 0		264 , 1	0	0	0 , 87 · 10 – 16
		Пи-мезоны	π +	π –	273 , 1	1 – 1	0	2 , 6 · 10 – 8
		К-мезоны	K +	K –	966 , 4	1 – 1	0	1 , 24 · 10 – 8
		К-мезоны	K 0	K 0 ~	974 , 1	0	0	≈ 10 – 10 – 10 – 8
		Эта-нуль-мезон	η 0		1074	0	0	≈ 10 – 18
	Барионы	Протон	p	p ~	1836 , 1	1 – 1	1 2	Стабилен
		Нейтрон	n	n ~	1838 , 6	0	1 2	898
		Лямбда-гиперон	Λ 0	Λ 0 ~	2183 , 1	0	1 2	2 , 63 · 10 – 10
		Сигма-гипероны	Σ +	Σ + ~	2327 , 6	1 – 1	1 2	0 , 8 · 10 – 10
			Σ 0	Σ 0 ~	2333 , 6	0	1 2	7 , 4 · 10 – 20
			Σ –	Σ – ~	2343 , 1	– 1 1	1 2	1 , 48 · 10 – 10
		Кси-гипероны	Ξ 0	Ξ 0 ~	2572 , 8	0	1 2	2 , 9 · 10 – 10
		Кси-гипероны	Ξ –	Ξ – ~	2585 , 6	– 1 1	1 2	1 , 64 · 10 – 10
		Омега-минус-гиперон	Ω –	Ω – ~	3273	– 1 1	1 2	0 , 82 · 10 – 11

Выделяют три основные группы элементарных частиц:

Фотоны представлены одной частицей. Это фотон – носитель электромагнитного взаимодействия.

К лептонам относятся легкие частицы:

два сорта нейтрино (электронное и мюонное);
электрон;
μ -мезон.

Объединяет частицы из группы лептонов спин 1 2 . В таблицу мы включили только основные лептоны. На самом деле их намного больше.

Масса покоя частицы, . Массы покоя элементарных частиц определяются либо по отношению к массе электрона, либо на основании соотношения в МэВ. Существуют элементарные частицы, масса покоя которых равна нулю, например фотоны. Они всегда движутся со скоростью света. К группе лептонов относятся легкие частицы: электроны ( кг МэВ), позитроны, различные нейтрино.. Частицы с массой в пределах до тысячи масс электрона называют мезонами: - мезоны, - мезоны ( МэВ), - мезоны ( МэВ). Тяжелые элементарные частицы называются барионами: протон, нейтрон, гипероны, резонансы. Например, масса протона МэВ, масса гиперона равна МэВ. Существуют и более тяжелые частицы: масса бозона равна ГэВ, масса недавно открытого бозона Хиггса оценивается в ГэВ.

Время жизни, . В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. К стабильным частицам относятся протон ( > 5∙10 32 лет), электрон ( > 2∙10 22 лет), три разновидности нейтрино и их античастицы, для которых в настоящее время распады не обнаружены, фотоны. Все остальные - элементарные частицы нестабильны, их время жизни находится в пределах 10 -10 – 10 -24 с, после чего они распадаются. К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Их обычно называют резонансами. Характерное время жизни резонансов 10 -24 – 10 -22 с. Частицы, распадающиеся за счет слабого или электромагнитного взаимодействий, время жизни которых превышает 10 -20 с, называются квазистабильными. Например, время жизни - мезона 0,8∙10 -16 с.

Электрический заряд . Электрический заряд элементарных частиц является целой кратной величиной от элементарного электрического заряда = 1,6⋅10−19 Кл. Известные элементарные частицы имеют электрические заряды Кварки имеют дробные электрические заряды: верхние кварки нижние

Спин . Спин – собственный момент количества движения элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого. Величина спина измеряется в единицах постоянной Планка и равна , где – характерное для каждого сорта частиц целое (в том числе нулевое) или полуцелое положительное число, называемое спиновым квантовым числом. Например, спин -, -мезонов равен 0, спин фотона равен 1, гравитона 2. Спин электрона, мюона, протона равен 1/2, спин - гиперона равен 3/2. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми−Дирака, их называют фермионами . К фермионам относятся лептоны, барионы, барионные резонансы, кварки и их античастицы. Для фермионов справедлив принцип запрета Паули. Частицы с целым спином подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, их называют бозонами. К бозонам относятся фотон, гравитон, промежуточные векторные бозоны, мезоны и мезонные резонансы, глюоны.

Внутренняя четность – квантовое число, характеризующее поведение волновой функции физической системы при некоторых дискретных преобразованиях. Если при пространственной инверсии (переход от правовинтовой системы координат к левовинтовой) волновая функция остаётся неизменной, то состояние, описываемое такой волновой функцией, называется чётным ( = + 1). Если при таком преобразовании волновая функция меняет знак на противоположный, то такое состояние называется нечётным ( = – 1). Например, четность -мезона

Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые приписывают только отдельным группам частиц.

Лептонное число(лептонный заряд) – аддитивное внутреннее квантовое число, приписываемое каждому семейству (поколению) лептонов: – – – . Лептоны , и участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны , и участвуют только в слабых взаимодействиях. Обычно лептонам приписывается лептонное число, равное а антилептонам, равное Например, электрон электронное нейтрино имеют ; а имеют При этом , и не тождественны друг другу. Для элементарных частиц, не являющихся лептонами, лептонное число равно нулю. Эксперимент показал, что во всех процессах взаимодействия элементарных частиц с участием лептонов каждое из лептонных чисел сохраняется.

Странность, – аддитивное квантовое число, являющееся одной из специфических характеристик адронов, носителем которой является странный кварк . Все адроны обладают определёнными целочисленными (нулевыми, положительными или отрицательными) значениями , причём Адроны с называются странными частицами. К странным частицам относятся К-мезоны, гипероны и некоторые резонансы. Например, гипероны и имеют мезоны имеют Частицам, не участвующим в сильном взаимодействии, приписывается значение В процессах, обусловленных сильным и электромагнитным взаимодействиями, странность сохраняется, т.е. суммарная странность исходных и конечных частиц одинакова. В процессах слабого взаимодействия странность может нарушаться.

Очарование(шарм) [от англ. charm – очарование] - аддитивное квантовое число , характеризующее адроны или кварки. Носителем квантового числа является -кварк, массой примерно 1,5 ГэВ и электрическим зарядом +2/3. Может принимать значения −3, −2, −1, 0, +1, +2, +3. Например, имеет Квантовое число очарование сохраняется в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но нарушается слабым взаимодействием.

Прелесть (красота, боттомность, ) [от англ. – beauty] – аддитивное квантовое число, присущее красивым, или прелестным, адронам, сохраняющееся в процессах сильного и электромагнитного взаимодействия и нарушающееся в процессах слабого взаимодействия. Носителем красоты являются - кварк, а также адроны, в состав которых входит - кварк (или его антикварк). Для красивых барионов квантовое число может принимать значения

Для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел существуют античастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина, изотопического спина (для адронов), но с противоположными знаками указанных квантовых чисел. Частицы, не имеющие античастиц, называются истинно нейтральными частицами ( -, -, - и - мезоны).

Понятия частицы и античастицы относительны. Что называть частицей, а что античастицей – это вопрос соглашения. Электрон считают частицей, а позитрон – античастицей только потому, что в нашей Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны являются экзотическими объектами. В вакууме при отсутствии вещества позитрон столь же стабилен, как и электрон. Однако при встрече электрона с позитроном эти частицы аннигилируют, превращаясь в несколько квантов излучения. Аннигилируют и другие частицы со своими античастицами. При аннигиляции тяжелых частиц возникают не столько гамма-кванты, сколько другие легкие частицы. Так, при аннигиляции протона с антипротоном появляются пи-мезоны.

Вещество, основой которого являются барионы – тяжелые элементарные частицы, включающие протоны и нейтроны и ряд короткоживущих частиц, которые при распаде порождают протоны, называется барионным веществом или барионной материей. Все вещество, с которым мы имеем дело и из которого сами состоим, является барионным. В нашей Вселенной астрономами не обнаружено скоплений антивещества. Этот факт получил название барионной асимметрии Вселенной.

Барионная асимметрия Вселенной – экстраполяция на Вселенную в целом наблюдаемого преобладания вещества над антивеществом в нашем локальном скоплении галактик; отсутствие в заметных количествах в Метагалактике антивещества, что противоречит симметричному образованию пары частица-античастица из вакуума, согласно квантовой теории поля. Причину такой асимметрии следует искать в происхождении и эволюции нашей Вселенной. Объяснение происхождения барионной асимметрии Вселенной – одна из ключевых проблем современной космологии и физики элементарных частиц.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:

1. Назовите типы фундаментальных взаимодействий.

2. Какие структуры называют элементарными частицами?

3. Основные характеристики элементарных частиц.

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: ACADEMIA, 2008.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов: в 3-х томах / И.В.Савельев. – СПб.: Спец. лит., 2005.

Контрольные вопросы для самоподготовки студентов:

1. Назовите типы фундаментальных взаимодействий.

2. Какие структуры называют элементарными частицами?

3. Основные характеристики элементарных частиц.

1. Трофимова, Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. – М.: ACADEMIA, 2008.

2. Савельев, И.В. Курс общей физики: учеб. пособие для втузов: в 3-х томах / И.В.Савельев. – СПб.: Спец. лит., 2005.

В физике элементарными частицами называли физические объекты в масштабах ядра атома, которые невозможно разделить на составные части. Однако, на сегодня, ученым все же удалось расщепить некоторые из них. Структуру и свойства этих мельчайших объектов изучает физика элементарных частиц.

История открытия первых частиц

Позднее стало известно, что атом все же можно разделить на два физических объекта – ядро и электрон. Последний впоследствии и стал первой элементарной частицей, когда в 1897-м году англичанин Джозеф Томсон провел эксперимент с катодными лучами и выявил, что они представляют собой поток одинаковых частиц с одинаковыми массой и зарядом.

Параллельно с работами Томсона, занимающийся исследованием рентгеновского излучения Анри Беккерель проводит опыты с ураном и открывает новый вид излучения. В 1898 году французская пара физиков – Мария и Пьер Кюри изучают различные радиоактивные вещества, обнаруживая то же самое радиоактивное излучение. Позже будет установлено, что оно состоит из альфа (2 протона и 2 нейтрона) и бета-частиц (электроны), а Беккерель и Кюри получат Нобелевскую премию. Проводя свои исследования с такими элементами как уран, радий и полоний, Мария Склодовская-Кюри не предпринимала никаких мер безопасности, в том числе не использовала даже перчатки. Как следствие в 1934 году ее настигла лейкемия. В память о достижениях великого ученого, открытый парой Кюри элемент, полоний, был назван в честь родины Марии – Polonia, с латинского – Польша.

Фотография с V Сольвеевского конгресса 1927 год. Попробуйте найди всех ученых из этой статьи на данном фото.

Очевидно, протон, не единственная составная часть ядер химических элементов. К такой мысли приводит тот факт, что два протона в ядре отталкивались бы, и атом мгновенно распадался. Поэтому Резерфорд выдвинул гипотезу о наличии еще одной частицы, которая имеет массу, равную массе протона, но является незаряженной. Некоторые опыты ученых по взаимодействию радиоактивных и более легких элементов, привели их к открытию еще одного нового излучения. В 1932-м году Джеймс Чедвик определил, что оно состоит из тех самых нейтральных частиц, которые назвал нейтронами.

Таким образом, были открыты наиболее известные частицы: фотон, электрон, протон и нейтрон.

Что такое спин?

Пусть у предмета имеется спин равный 1. Тогда такой объект при повороте на 360 градусов возвратится в исходное положение. На плоскости этим предметом может быть карандаш, который после разворота на 360 градусов окажется в исходном положении. В случае с нулевым спином, при любом вращении объекта он будет выглядеть всегда одинаково, к примеру, одноцветный мячик.

Для спина ½ потребуется предмет, сохраняющий свой вид при развороте на 180 градусов. Им может быть все тот же карандаш, только симметрично наточенный с обеих сторон. Спин равный 2 потребует сохранения формы при повороте на 720 градусов, а 3/2 – 540.

Данная характеристика имеет очень большое значение для физики элементарных частиц.

Стандартная модель частиц и взаимодействий

Стандартная модель в физике

Три взаимодействия таковы:

Электромагнитное. Оно происходит между электрически заряженными частицами. В простом случае, известном со школы, — разноименно заряженные объекты притягиваются, а одноименно – отталкиваются. Происходит это посредством, так называемого переносчика электромагнитного взаимодействия – фотона.
Сильное, иначе – ядерное взаимодействие. Как ясно из названия, его действие распространяется на объекты порядка ядра атома, оно отвечает за притяжение протонов, нейтронов и прочих частиц, также состоящих из кварков. Сильное взаимодействие переносится при помощи глюонов.
Слабое. Действует на расстояниях в тысячу меньших размера ядра. В таком взаимодействии принимают участия лептоны и кварки, а также их античастицы. При этом в случае слабого взаимодействия они могут перевоплощаться друг в друга. Переносчиками являются бозоны W+, W− и Z0.

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц

Так Стандартная модель сформировалась следующим образом. Она включает шесть кварков, из которых состоят все адроны (частицы, подверженные сильному взаимодействию):

Верхний (u);
Очарованный (c);
Истинный (t);
Нижний (d);
Странный (s);
Прелестный (b).

Видно, что эпитетов физикам не занимать. Другие 6 частиц – лептоны. Это фундаментальные частицы со спином ½, которые не принимают участие в сильном взаимодействии.

Электрон;
Электронное нейтрино;
Мюон;
Мюонное нейтрино;
Тау-лептон;
Тау-нейтрино.

А третьей группой Стандартной модели являются калибровочные бозоны, которые имеют спин равный 1 и представляются переносчиками взаимодействий:

Глюон – сильное;
Фотон – электромагнитное;
Z-бозон — слабое;
W-бозон – слабое.

К ним также относится и недавно обнаруженный бозон Хиггса, частица со спином 0, которая, упрощенно говоря, наделяет все другие субъядерные объекты инертной массой.

В результате, согласно Стандартной модели, наш мир выглядит таким образом: все вещество состоит из 6 кварков, образующих адроны, и 6 лептонов; все эти частицы могут участвовать в трех взаимодействиях, переносчиками которых являются калибровочные бозоны.

Недостатки Стандартной модели

Мало того, Стандартная модель описывает 61 частицу, а на сегодняшний день человечеству известно уже более 350 частиц. Это означает, что на достигнутом работа физиков-теоретиков не окончена.

Классификация частиц

Чтобы упростить себе жизнь, физики сгруппировали все частицы в зависимости от особенностей их строения и прочих характеристик. Классификация бывает по следующим признакам:

Ознакомившись с классификацией всех частиц, можно, к примеру, точно определить некоторые из них. Так нейтрон является фермионом, адроном, а точнее барионом, и нуклоном, то есть имеет полуцелый спин, состоит из кварков и участвует в 4-х взаимодействиях. Нуклон же – это общее название для протонов и нейтронов.

Читайте также: