Характеристики элементарных частиц и их классификация

 

Элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. На основании некоторых из них можно дать классификацию элементарных частиц.

Так, одной из важных характеристик частиц является их масса. Причем во внимание берется масса покоя частиц, так как при движении частиц с большими скоростями их масса сильно возрастает. Это заставляло ученых некоторое время ошибочно считать, что они открыли новые частицы. За единицу отсчета берется масса покоя электрона. Он считается самой легкой из всех частиц. В зависимости от массы покоя все частицы можно разделить:

– на частицы, не имеющие массы покоя. Это фотоны, движущиеся со скоростью света;

– лептоны – легкие частицы. К ним относятся электрон и нейтрино;

– мезоны – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

– барионы – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона. К ним относятся протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы.

Другой важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (–1). Заряд может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Должны существовать также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки.

Время жизни – еще одна характеристика частиц. При этом различают стабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относятся фотон, электрон, протон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома. Свободный нейтрон распадается в среднем за 15 минут. Все остальные частицы – нестабильные, они существуют 10^-10 – 10^-24 с. Самые короткоживущие частицы называются резонансами. Эти частицы распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Их время жизни – 10^-25 – 10^-26 с. Существование этих частиц вычислено теоретически, в реальных экспериментах они не фиксируются. Разумеется, наиболее важная роль в мире принадлежит стабильным частицам, из которых и состоят все макротела.

По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они подразделяются:

– на лептоны, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях;

– адроны, участвующие также и в сильном взаимодействии;

– частицы – переносчики взаимодействий.

Но самой важной характеристикой частиц является спин - собственный момент количества движения (импульса) частицы.

В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом. У одних частиц он имеет целочисленные значения (0, 1, 2), а у других – полуцелые значения (1/2, 3/2). Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°, а частица со спином 2 – после оборота на 180°. Чтобы легче представить себе частицы с различными спинами, можно провести аналогию и сравнить частицу со спином 0 с точкой, со спином 1 – со стрелой, а со спином 2 – со стрелой, заточенной с обеих сторон. Частицы со спином 1/2 принимают тот же вид При повороте на 720°.

Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Исходя из этого значения, можно систематизировать и классифицировать данные обо всех элементарных частицах, разделив их на частицы вещества и частицы полей.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами (в честь известного физика Э. Ферми). Это не что иное, как частицы вещества, которые, хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2 – омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона – частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу параметров, не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества слиплись бы и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь индийского физика Ч. Бозе). Бозоны – это кванты полей, которые, хотя и обладают корпускулярными свойствами, в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служат фотоны, спин которых равен 1, и мезоны, спин которых равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 – гравитоны.

Лептоны. Это легкие элементарные частицы, спин которых равен 1/2. Наиболее известен из этой группы электрон – первая открытая элементарная частица. Другой хорошо известный лептон, но уже без электрического заряда, это нейтрино – практически неуловимая частица, обладающая очень высокой проникающей способностью. Нейтрино являются самыми распространенными частицами во Вселенной. Их существование получило экспериментальное подтверждение через тридцать лет после того, как они были предсказаны. Для этого физикам пришлось ждать создания ядерных реакторов, при работе которых испускается огромное количество нейтрино. Только тогда удалось зафиксировать лобовое столкновение одной частицы с ядром и тем самым доказать, что она действительно существует. Согласно некоторым данным, нейтрино обладает крохотной, но не нулевой массой в одну десятитысячную массы электрона. Если это так, то при преобладании нейтрино во Вселенной (их больше протонов и нейтронов в миллиард раз) в будущем наш мир может ждать коллапс, стягивание Вселенной в маленькую точку.

Среди прочих лептонов следует назвать мюон открытый в 1936 г. в продуктах взаимодействия космических лучей. Он оказался одной из первых открытых нестабильных частиц. Во всех других отношениях, кроме стабильности, он напоминает электрон – имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу. Мюоны широко распространены в природе, на их долю приходится значительная часть фонового космического излучения, регистрирующегося на поверхности Земли.

В конце 70-х годов был обнаружен еще один лептон, названный тау-лептоном. Он тяжелее мюона, в остальном же похож на него и на электрон.

В 60-е годы было установлено, что существует несколько видов нейтрино – в паре с каждым заряженным лептоном. Таким образом, есть электронное, мюонное и тау-лептонное нейтрино.

В таком случае, общее число лептонов равно шести. С учетом того, что у каждого лептона есть античастица, общее число этих частиц – 12.

Адроны. Этих частиц известно сотни. Они также являются фермионами. Наиболее известными адронами являются протоны и нейтроны, их еще называют барионами. Остальные частицы этого класса нестабильны и быстро распадаются. Помимо барионов, к адронам также относятся тяжелые частицы – гипероны, мезоны и большое количество резонансов. Исследования 50-х годов показали, что, скорее всего, адроны не являются элементарными частицами, аи построены из более мелких составляющих. Тайна адронов была открыта в 60-е годы, когда была создана кварковая модель адронов.

Частицы – переносчики взаимодействия. Лептоны и адроны, являющиеся фермионами, представляют собой вещество нашего мира. Но есть еще один тип частиц, которые не являются веществом, а обеспечивают только соединение, взаимодействие частиц вещества между собой, не позволяя миру распадаться на части. Эти частицы являются бозонами.

Существует четыре типа фундаментальных физических взаимодействий. У каждого из них – свои частицы-переносчики. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, гравитационного взаимодействия – гравитон, слабого взаимодействия – три тяжелых векторных бозона, сильного взаимодействия – глюоны.

 

Основы кварковой теории

 

Кварковая теория – это теория строения адронов, представляющая собой еще один шаг вглубь материи. Она сформулирована в 1963 г. после того, как было высказано предположение, что все адроны построены из более мелких частиц. Авторами кварковой теории стали Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг из Калифорнийского технологического института. Кварки являются фермионами, так как их спин равен 1/2, вместе с лептонами они на сегодняшний день являются подлинно элементарными частицами, внутренняя структура которых неизвестна.

Основная идея этой теории очень проста. Все адроны построены из более мелких частиц – кварков. Этот термин был выбран совершенно произвольно и демонстрирует своеобразное чувство юмора физиков – авторов этой теории. Слово «кварк» было позаимствовано из романа Д. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и кричали: «Три кварка для мистера Марка!» В переводе с немецкого это слово означает «чепуха».

Кварки – это электрически заряженные частицы, причем их заряд – дробное число. Он может быть равен либо –1/3, либо +2/3 заряда электрона. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами – парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы, среди которых всем известны протоны и нейтроны. Соединением кварка и антикварка образуются мезоны, соединением трех антикварков – антибарионы. Большинство образующихся частиц являются барионными и мезонными резонансами. При таком соединении дробные заряды суммируются до нуля или единицы.

Первое время считалось, что кварков всего три типа – их назвали ароматами (ассоциация с обонянием здесь не годится, это квантовое число) – up, down, strange. Но в 1974 г. были открыты новые адроны, для которых уже просто не было свободных кварков. Поэтому число кварков было расширено до шести – добавились ароматы charm, beauty, truth. Ароматы обозначаются первыми буквами своих названий.

Кварки во многих отношениях схожи с лептонами – и те и другие являются подлинно элементарными частицами. Их размеры менее 10^-15 см. Как лептоны можно сгруппировать попарно (лептон и соответствующий ему нейтрино), так же группируются и кварки.

Интересно отметить, что все обычное вещество во Вселенной состоит лишь из двух легчайших лептонов (электрона и электронного нейтрино) и двух легчайших кварков и и d. Если бы все остальные лептоны и кварки внезапно прекратили свое существование, то в окружающем нас мире, по-видимому, очень мало что изменилось. Возможно, более тяжелые лептоны и кварки играют роль дублеров легчайших частиц. Все они нестабильны и быстро распадаются на стабильные частицы.

В описанной схеме обнаруживается принципиальный дефект. Кварки, будучи фермионами, должны подчиняться запрету Паули. Они не могут соединяться вместе, если их состояния одинаковы. А в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказываются вместе. Например, протон образуется комбинацией кварков uud, а нейтрон – udd. Казалось бы, нарушается запрет Паули. Для устранения этого противоречия ввели предположение, что кварки одного аромата не идентичны, а различаются характером взаимодействия друг с другом. Поэтому для описания кварков ввели еще одно квантовое число. Продолжая шутить, физики назвали его «цветом». Как «аромат» не имеет отношения к запаху, так и «цвет» не имеет ничего общего с общепринятым смыслом этого слова. Не стоит забывать, что размеры кварков намного меньше длины волны видимого света. Введение нового квантового числа оказалось удачным, недавние эксперименты на ускорителях подтвердили, что разделение кварков одного аромата на три цвета – красный, синий, зеленый – отражает действительность.

При объединении кваркэов и антикварков в адроны должны выполняться два условия: -;

– суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным, скомпенсированным до нуля или единицы;

– кварки, соединяющиеся в адрон, должны полностью компенсировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцветности (конфайнмент). Это связано с тем, что только кварки проявляют способность к сильному взаимодействию, связанному с цветовыми силами. Адроны таких способностей не имеют в силу своей бесцветности.

Долгое время ученые пытались обнаружить кварки в эксперименте, доводя точность измерений до очень высоких значений. Пришлось признать, что законы нашего мира запрещают существование частиц с дробным электрическим зарядом поодиночке. Но в 1969 г. в Стэнфорде были проведены опыты, доказавшие существование кварков. В ходе экспериментов протон бомбардировался электроном. При этом электроны как бы налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Очевидно, эти твердые вкрапления и были кварками.

Вопросы для обсуждения

 

1. Какие из выделенных нами структурных уровней организации материи относятся к микромиру, макромиру, мегамиру?

2. Какие агрегатные состояния вещества вы знаете? Сравните свойства вещества в разных агрегатных состояниях.

3. Какие представления о поле и веществе существуют в классической физике? Чем они отличаются от современных взглядов?

4. Что такое корпускулярно-волновой дуализм? Как было сформулировано это понятие?

5. Что сегодня понимается под элементарными частицами? Насколько они элементарны на самом деле?

6. Какие элементарные частицы стабильны? Назовите их другие характеристики.

7. Что такое фермионы и бозоны? Чем они отличаются друг от друга?

8. Что такое запрет Паули? Какую роль он играет в мире?

9. Чем отличаются адроны и лептоны?