Элементарные частицы это такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых, на современном уровне развития физики, нельзя представить как объединение других, более мелких частиц

В разные времена под элементарными частицами подразумевали разные физические объекты. До конца XIX века такими считались атомы и молекулы, как простейшие, неизменные и неделимые «кирпичики», из которых состоит вся материя.

В первой трети ХХ века – помимо фотона, были открыты три основные частицы − электрон, протон и нейтрон: некоторое время считали, что именно они и составляли весь окружающий нас вещественный мир. Поэтому в то время под элементарными частицами подразумевали именно эти частицы. Со временем к этим элементарным частицам добавлялись новые частицы, число которых на данный момент превышает 400. Во время обнаружения новых частиц, в первую очередь определяли их массу и электрический заряд. Это легло в основу первоначальной классификации, когда, руководствуясь значениями их масс, элементарные частицы разделили на лептоны (легкие), мезоны (средние) и барионы (тяжелые). Сами барионы разделяются на нуклоны (т.е. ядерные), куда входят протоны и нейтроны, и гипероны (от слова «сверх»), куда входят частицы с массами покоя больше, чем у протона. Но потом были обнаружены частицы, которые имели свойства лептонов и мезонов, но с массами барионов. С другой стороны во второй половине ХХ века было доказано, что мезоны и барионы сами состоят из более мелких частиц (кварков). Поэтому в современной классификации (которая еще разрабатывается) под элементарными частицами (иногда их называют также субъядерными частицами) подразумевают только мезоны и барионы, под общим названием адроны (греческое слово «адрос» означает «крупный», «массивный»). А лептоны, кварки, и переносчики четырех фундаментальных взаимодействии – фотоны, глюоны (от английского слова «клей»), промежуточные бозоны и гравитоны, (с общей численностью 61) определяются как истинно элементарные частицы под названием «фундаментальные частицы» (или субчастицы). Таким образом, к настоящему времени, на роль «настоящих» или «истинных» элементарных частиц претендуют фундаментальные частицы.

Вполне возможно, что структурных уровней материй бесконечно много и нам еще предстоит открыть более мелкие, истинно элементарные частицы. Хотя, с другой стороны, может оказаться и так, что сами слова «состоит из…» на какой-то стадии изучения материи потеряют всякий смысл.

Некоторые свойства основных частиц отражены в таблице, где указаны лишь масса частиц (в электронных массах), электрический заряд (в единицах элементарного заряда, т.е. заряда электрона) и среднее время жизни частицы. Там же, в скобках, указано общее число частиц и античастиц данной группы.

Более подробная классификация частиц приведена в конце лекции.

Классификация частиц

АДРОНЫ (~400)
Группа	Название	Символ	Электр. заряд	Масса	Время жизни (с)
Мезоны	Пионы, Каоны и др.	π^0 π^+ π^- K^0 K^+ K^-	0, ±1 0, ±1	~270 ~1000	10^-16÷10^-8 10^-10÷10^-8
Барионы	Нуклоны Протон Нейтрон	p n	+1	1836,2 1838,7	∞ 918, ∞
Гипероны Лябда- Сигма- Кси- Омега- и др.	Λ^0 Σ^0,Σ^+,Σ^- Ξ^0, Ξ^- Ω^-	0, ±1 0,-1 -1	~2200 ~2300 ~2500 ~3300	~10^-10 ~10^-10 ~10^-10 ~10^-10
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ (61)
Переносчики Фундаментальных Взаимодействия (13)	Фотон	γ			∞
Промежуточные Бозоны (3)	W^+,W^- Z^0	±1	~18^.10^4	~10^-^25
Глюоны (8)	g			∞
Гравитон (пока не обнаружен)	G			∞
Лептоны (12)	электрон	e^-	-1		∞
Электронное Нейтрино	νe		0 (?)	∞
Мюон	μ^-	-1	~200	~10^-10
Мюонное нейтрино	νμ		0 (?)	∞
Таон	τ^-	-1	~3500	~10^-1^3
Таонное нейтрионо	ντ		?	?
КВАРКИ (36)
А Р О М А Т	верхний (up)	u	+2/3	Каждому аромату присущ еще и три цвета
нижний (down)	d	-1/3
странный (strange)	s	-1/3
очарованный (charm)	c	+2/3
прелестный (beauty)	b	-1/3
истинный (truth)	t	+2/3

 

 

Основные свойства частиц:

· Кроме фотона, глюонов, и различных нейтрино[21] с нулевой массой покоя, все остальные частицы имеют значения для массы покоя от нескольких сотен до нескольких сотен тысяч (в единицах массы покоя электрона, m_e= 1).

· Все частицы, существующие в свободном состоянии, или нейтральны или имеют элементарный электрический заряд, равный заряду электрона (±1)[22]. Что касается кварков с дробными зарядами ±1/3 или ±2/3, то они в свободном состоянии не наблюдаются (см. далее).

· Большинство частиц неустойчиво и имеет очень малое время жизни (~10^-6÷10^-13с). Кроме того, существует большое количество элементарных частиц (так называемые резонансы), у которых время жизни крайне мало (меньше чем 10^-23с; они не отражены в таблице).

· Практически у каждой частицы имеется античастица, обычно обозначаемая тем же символом, но с добавлением тильды (^~) над ним. Античастица, это частица, равная по массе, величине заряда (для заряженных частиц) и спину, но противоположная по знаку заряда ( е^-,е⁺, р, ) или по знаку собственного магнитного момента ( n, ). Примером частицы и античастицы являются электрон и позитрон (антиэлектрон), протон и антипротон, нейтрон и антинейтрон и т. п. Исключение составляют так называемые истинно нейтральные частицы (например, фотон), которые не имеют античастиц. Массы, время жизни частицы и античастицы одинаковы, а заряды равны по модулю, но противоположны по знаку[23]. (в таблице античастицы не указаны). При столкновении частицы со своей античастицей, обе они перестают существовать как таковые, превращаясь в другие частицы, например, в фотоны. Этот процесс называется аннигиляцией («уничтожение»), хотя, разумеется, никакого уничтожения материи тут нет, а происходит превращения одного вида материи в другой, с соблюдением всех законов сохранения[24].

· Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения – главный факт их существования. При этом, образующиеся частицы не входят в состав исходных частиц, а рождаются непосредственно в процессе их соударений или распадов. Именно в таких процессах взаимопревращений и открывают ранее неизвестные частицы.

Среднее время жизни частиц служит мерой стабильности частицы, поэтому можно утверждать, что электрон, протон, фотон и нейтрино абсолютно стабильны; их время жизни не ограничено (t= ∞; во всяком случае, их распады экспериментально не зарегистрированы)[25]. Что касается нейтрона, то он абсолютно стабилен в ядре атома, но в свободном состоянии в среднем распадается в течение 15 мин.

Обилие адронов и затруднение их классификации послужили поводом для появления гипотезы о кварках (независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг, 1964г.). Первоначально сложную структуру известных к тому времени адронов объяснили существованием всего трех типов (ароматов) кварков, которые обозначали буквами u, d, s от английских слов “up” –вверх, “down”-вниз, и “strenge”-странный. Впоследствии, к этим трем ароматам кварков добавились еще три, с обозначениями c, b, t (от слов “charmed”- очарованный, “beauty”-прелестный, и “truth”- истинный). Каждому типу кварков приписывается еще и три цвета, так что общее количество кварков, со своими антикварками, в данный момент достигает 36. Кварки и антикварки имеют дробные электрические заряды ±1/3 или ±2/3 (в единицах е), но в адронах всегда сочетаются таким образом, что их суммарный заряд равняется или 0, или ±1 (±2). Сейчас уже доказано, что мезоны состоят из двух кварков и антикварков, а барионы – из трех. Более того, на основе теории кварков были предсказано существование более тяжелых частиц (с массами нескольких масс нуклона), которые состоят из четырех кварков.

Экспериментальные данные четко указывают на реальное существование кварков внутри адронов, но все попытки наблюдать кварки в свободном состоянии оказались безуспешными. Это привело к выводу, что кварки могут существовать только внутри адронов и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии. Такое поведение кварков объясняется необычными силами взаимодействиями между ними. При малых расстояниях эти силы крайне малы, так что кварки оказываются практически свободными (например, внутри адронов). Однако с увеличением расстояний между кварками силы взаимодействия кварков друг с другом очень быстро растут, не позволяя им вылететь из адронов.

Идея кварков оказалась весьма плодотворной: она позволила не только систематизировать уже известные частицы, предсказать целый ряд новых, объяснить многие свойства частиц, но и связать между собой различные процессы.

Теория элементарных и фундаментальных частиц в настоящее время не завершена и продолжается активно разрабатываться.

 

Вид статистики, которой подчиняется те или иные микрочастицы, обусловливает характер распределение их по состояниям, например, по энергетическим уровням.

В квантовой механике используется 2 вида статистики: Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна, применение которых обусловлено величиной спина частиц. Статистике Ферми-Дирака подчиняются частицы с полуцелым спином (т.е. спин которых равен нечетному числу ћ/2), а статистике Бозе-Эйнштейна - частицы с нулевым или целочисленным спином.

Распределение Ферми-Дирака, основанно на правиле Паули, согласно которому в данной системе не может быть двух тождественных частиц, находящихся одновременно в одинаковых квантовых состояниях. Такое распределение можно видеть на примере распределение по энергетическом уровням электронов в атоме или валентных электронов в металле; на каждом уровне находится 2 электрона. Распределение Бозе-Эйнштейна основано на применении теории вероятностей к системе квантовых объектов, подобной идеальному газу. При этом, например, распределение микрочастиц по энергетическим уровням происходит по экспоненциальной зависимости; там нет ограничении Паули, и в одинаковом квантовом состоянии может находиться неограниченное число частиц.

У мезонов спин равен нулю, поэтому они починяются статистике Боз-Эйнштейна и их называют Бозонами (к бозонам относится также и фотон со спином равным 1). Барионы имеют спин, равный ½, и являются фермионами.

Для одной и той же частицы возможны несколько вариантов распада. При распаде, взаимопревращениях или взаимодействиях элементарных частиц соблюдаются законы сохранения, которые и обусловливают возможность соответствующих превращений. Во время сильных взаимодействиях − это законы сохранения энергии, импульса, полного момента импульса (включая орбитальный момент и спин), а также электрического заряда и заряда по отдельным классам частиц (иногда их называют не зарядами, а числами: лептонный, мезонный, барионный). Существует еще и три специфических характеристик элементарных частиц: 1) изотопический спин, 2) четность, 3) странность, которые не сохраняются во время слабых взаимодействиях.