Классификация и свойства элементарных частиц

 

В настоящее время известно около 400 субъядерных частиц, которые принято называть элементарными. Подавляющее большинство этих частиц являются нестабильными.

 

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (то есть исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, то есть обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

Античастица обнаружена даже у нейтрона. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка – из позитронов. При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в энергию квантов излучения. Это огромная энергия, значительно превосходящая ту, которая выделяется при ядерных и термоядерных реакциях.

 

В общей массе элементарных частиц можно выделить несколько характерных групп.

 

Фотоны – кванты (частицы, порции) электромагнитного поля.

Не обладают массой. Тем не менее могут переносить энергию и импульс.

 

Энергия фотона .

Импульс фотона .

Где , , .

h называется постоянной Планка и она равна дж ∙ с.

 

Фотоны – это частицы, которые принципиально не могут находиться в состоянии покоя. Они двигаются всегда со скоростью м/с. Это самая большая скорость в природе. Быстрее не может двигаться ни одна частица.

 

Красный свет имеет длину волны . При такой длине волны, фотон обладает энергией

дж., или эв.

 

Много это или мало? Такую энергию приобретает электрон, перемещаясь между точками с разностью потенциалов в 2.3 в. Найдем скорость, которую может при этом приобрести такой электрон.

, отсюда м/с = 830 км/с.

 

То есть, если бы фотон красного света смог бы передать всю свою энергию электрону при столкновении с ним, то от такого пинка электрон разогнался бы до скорости 830 км/с. Весьма неплохо, вот только отдать всю энергию электрону при столкновении фотон не может, иначе нарушится закон сохранения импульса, а нарушать законы элементарные частицы не могут.

Если не учитывать релятивистские эффекты, то законы сохранения энергии и импульса при столкновении фотона с электроном, запишутся так:

 и .

Отсюда получаем , но так как  для нерелятивистских электронов, то

м/с = 2.31 км/с.

 

Следовательно, реальный "пинок", который получит электрон при столкновении с фотоном, будет намного меньше, но и фотон при этом почти не потеряет энергию.

 

Обычно в физике элементарных частиц приходится иметь дело с гораздо более высокими скоростями и энергиями. Этот пример я привел для того, чтобы еще раз подчеркнуть необычность проблемы, с которой столкнулись физики при изучении микромира. Всякий раз, сталкиваясь с необычным явлением, мы прежде всего стремимся его получше разглядеть. Если явление слишком далеко или слишком мелкое, мы используем специальные приборы: телескопы и микроскопы. Даже если мы что-то никак не можем разглядеть, нам все равно нужно знать, как оно выглядит, для того чтобы представить это нечто хотя бы в воображении. Настолько мы привыкли доверять своему зрению. Но объекты микромира принципиально нельзя разглядеть, ведь даже низкоэнергетичные красные фотоны способны принципиально разрушить ту картину микромира, которую мы хотели бы рассмотреть. При этом надо отметить, что красный свет принципиально не пригоден для рассматривания таких малых объектов, как электроны, из-за большой длины волны. Чтобы увидеть электроны мы должны были бы использовать волны (фотоны) с гораздо меньшей длиной волны и больше частотой. Такие высокоэнергетичные фотоны действуют на электроны, как противотанковые снаряды на биллиардные шары. Хотя любое сравнение явлений микромира и макромира нельзя принимать слишком всерьез.

 

Лептоны

В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и μ-мезон и еще ряд частиц. Все лептоны имеют спин .

Лептоны не имеют внутренней структуры. Электрон имеет заряд Кл. и массу кг = 0.511Мэв.

 

Адроны

Участвуют в сильных взаимодействиях и во всех остальных. Общее число около четырехсот.

 

Мезоны – являются частицами с целочисленным спином (нулевым). Такие частицы

называют бозонами.

 

Барионы – адроны с полуцелым спином (фермионы) и массами не меньше массы протона. За исключением протона все нестабильны.

 

 

 

 

 

Кварки

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы – адроны – построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков. На рисунке для примера показано строение протона и нейтрона.  Антибарион строится из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк–антикварк.

 

 

С принятием гипотезы кварков удалось создать стройную систему элементарных частиц. Однако предсказанные свойства этих гипотетических частиц оказались довольно неожиданными. Электрический заряд кварков должен выражаться дробными числами, равными  и  элементарного заряда.

Многочисленные поиски кварков в свободном состоянии, производившиеся на ускорителях высоких энергий и в космических лучах, оказались безуспешными. Ученые считают, что одной из причин ненаблюдаемости свободных кварков являются, возможно, их очень большие массы. Это препятствует рождению кварков при тех энергиях, которые достигаются на современных ускорителях. Тем не менее, большинство специалистов сейчас уверены в том, что кварки существуют внутри тяжелых частиц – адронов.

 

Фундаментальные взаимодействия. Процессы, в которых участвуют различные элементарные частицы, сильно различаются по характерным временам их протекания и энергиям. Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре типа взаимодействий, которые не могут быть сведены к другим, более простым видам взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти типы взаимодействий называют фундаментальными.

 

Сильное (или ядерное) взаимодействие – это наиболее интенсивное из всех видов взаимодействий. Они обуславливает исключительно прочную связь между протонами и нейтронами в ядрах атомов. В сильном взаимодействии могут принимать участие только тяжелые частицы – адроны (мезоны и барионы). Сильное взаимодействие проявляется на расстояниях порядка и менее 10^–15 м. Поэтому его называют короткодействующим.

 

Электромагнитное взаимодействие. В этом виде взаимодействия могут принимать участие любые электрически заряженные частицы, а так же фотоны – кванты электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие ответственно, в частности, за существование атомов и молекул. Оно определяет многие свойства веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Кулоновское отталкивание протонов приводит к неустойчивости ядер с большими массовыми числами. Электромагнитное взаимодействие обуславливает процессы поглощения и излучения фотонов атомами и молекулами вещества и многие другие процессы физики микро- и макромира.

 

Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. В нем могут принимать участие любые элементарные частицы, кроме фотонов. Слабое взаимодействие ответственно за протекание процессов с участием нейтрино или антинейтрино, например, β-распад нейтрона  а также безнейтринные процессы распада частиц с большим временем жизни (τ ≥ 10^–10 с). 

 

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц силы гравитационного взаимодействия между ними пренебрежимо малы и в процессах микромира их роль несущественна. Гравитационные силы играют решающую роль при взаимодействии космических объектов (звезды, планеты и т. п.) с их огромными массами.

В 30-е годы XX века возникла гипотеза о том, что в мире элементарных частиц взаимодействия осуществляются посредством обмена квантами какого-либо поля. Эта гипотеза первоначально была выдвинута нашими соотечественниками И. Е. Таммом и Д. Д. Иваненко. Они предположили, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате обмена частицами, подобно тому, как ковалентная химическая связь атомов возникает при обмене валентными электронами, которые объединяются на незаполненных электронных оболочках.

Взаимодействие, осуществляемое путем обмена частицами, получило в физике название обменного взаимодействия. Так, например, электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами, возникает вследствие обмена фотонами – квантами электромагнитного поля.

Теория обменного взаимодействия получила признание после того, как в 1935 г. японский физик Х. Юкава теоретически показал, что сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах атомов может быть объяснено, если предположить, что нуклоны обмениваются гипотетическими частицами, получившими название мезонов. Юкава вычислил массу этих частиц, которая оказалась приблизительно равной 300 электронным массам. Частицы с такой массой были впоследствии действительно обнаружены. Эти частицы получили название π-мезонов (пионов). В настоящее время известны три вида пионов: π⁺, π^– и π⁰.