Класифікація елементарних частинок

План

1. Характеристики субатомних частинок

2. Лептони

3. Адрони

4. Частинки — носії взаємодій

Характеристики субатомних частинок

Історично першими експериментально виявленими елементарними частинками були електрон, протон, а потім нейтрон. Здавалося, що цих частинок і фотона (кванта електромагнітного поля) достатньо для побудови відомих форм речовини — атомів і молекул. Такий підхід передбачав, що речовина складається з протонів, нейтронів та електронів, а фотони здійснюють взаємодію між ними. Однак незабаром з'ясувалося, що світ улаштований значно складніше. Було встановлено, що кожній частинці відповідає своя античастинка, яка відрізняється від неї лише знаком заряду. Для частинок з нульовими значеннями всіх зарядів античастинка збігається з частинкою (наприклад, фотон). У міру розвитку експериментальної ядерної фізики до цих частинок додалися ще понад 300 частинок.

Характеристиками субатомних частинок є маса, електричний заряд, спін, час існування частинки, магнітний момент, просторова парність, лептонний заряд, баріонний заряд та ін.

Коли йдеться про масу частинки, мають на увазі її масу спокою, оскільки вона не залежить від стану руху. Частинка, що має нульову масу спокою, рухається зі швидкістю світла (фотон). Не існує двох частинок з однаковими масами. Електрон — найлегша частинка з ненульовою масою спокою. Протон і нейтрон важчі за електрон майже в 2000 разів. А найважча з отриманих у прискорювачах елементарних частинок (Z-частинка) має масу в 200 000 разів більшу порівняно з масою електрона.

Електричний заряд змінюється в досить вузькому діапазоні й завжди кратний фундаментальній одиниці заряду - заряду електрона (-1). Деякі частинки (фотон, нейтрино) зовсім не мають заряду.

Важлива характеристика частинки — спін — власний момент імпульсу частинки. Так, протон, нейтрон та електрон мають спін 1/2, а спін фотона дорівнює 1. Відомі частинки зі спіном 0,3/2,2. Частинка зі спіном 0 при будь-якому куті повороту виглядає однаково. Частинка зі спіном 1 набуває попереднього вигляду після повного оберту на 360е. Частинка зі спіном 1/2 набуває колишнього вигляду після оберту на 720° і т.д. Частинка зі спіном 2 набуває попереднього положення через півоберту (180е). Частинок зі спіном більш як 2, можливо, узагалі не існує.

Залежно від спіну всі частинки поділяються на дві групи: бозони — частинки із цілими спінами 0,1 і 2; ферміони — частинки з напівцілими спінами (1/2,3/2).

Частинки характеризуються також тривалістю існування. За цією ознакою вони поділяються на стабільні й нестабільні. Стабільні частинки — це електрон, протон, фотон і нейтрино. Нейтрон стабільний, коли знаходиться в ядрі атома, але вільний нейтрон розпадається приблизно за 15 хвилин. Всі інші відомі частинки нестабільні; час їхнього існування коливається від декількох мікросекунд до 10 21 с.

Велику роль у фізиці елементарних частинок відіграють закони збереження, які встановлюють рівність між,певними комбінаціям]! величин, що характеризують початковий і кінцевий стани системи. Арсенал законів збереження у квантовій фізиці більший, ніж у класичній фізиці. Він поповнився законами збереження різних парностей (просторової, зарядової), зарядів (лептонного, баріонного й ін.), внутрішніх симетрій, властивих тому чи іншому типу взаємодій. При цьому виявилося, що чим інтенсивніша взаємодія, тим більше їй відповідає законів збереження, тобто тим більше вона симетрична. У квантовій фізиці закони збереження завжди є законами заборони. Але якщо закони збереження дозволяють якийсь процес, то він обов'язково відбувається реально.

Вершиною розвитку уявлень про закони збереження у квантовій фізиці є концепція спонтанного порушення симетрії, тобто існування стійких асиметричних розв'язків для деяких типів задач. У 60-х pp. експериментально було шдтверджеио так зване порушення комбінованої чіткості. Інакше кажучи, виявилося, що в мікросвіті існують абсолютні розходження між частинками й античастинками, між "правим" і "лівим", між минулим і майбутнім (стріла часу, чи необоротність мікропроцесів, а не тільки макропроцесів).

Виділення й пізнання характеристик окремих субатомних частинок — важливий, але тільки початковий етап пізнання їх світу. На наступному етапі потрібно ще зрозуміти, яка роль кожної окремої частинки, які її функції в структурі матерії.

Фізики з'ясували, що насамперед властивості частинки визначаються її здатністю (чи нездатністю) брати участь у сильній взаємодії. Частинки, які беруть участь у сильній взаємодії, утворюють особливий клас і називаються адронами. Частинки, які беруть участь у слабкій взаємодії і не беруть участі в сильній, називаються лептонами. Крім того, існують частинки — носії взаємодій.

Розглянемо властивості цих основних типів частинок.

Лептони

Хоча лептони можуть мати електричний заряд, а можуть і не мати, спін у них у всіх дорівнює 1/2. Серед лептонів найбільш відомий електрон. Електрон - це перша з відкритих елементарних частинок. Як і всі інші лептони, електрон, очевидно, є елементарним (у власному розумінні цього слова) об'єктом, тобто він не складається з якихось інших частинок.

Інший.добре відомий лептон — нейтрино. Нейтрино є найбільш розповсюдженими частинками у Всесвіті. Всесвіт можна уявити безкрайнім нейтринним морем, у якому зрідка зустрічаються острови у вигляді атомів. Але незважаючи на таку поширеність нейтрино, вивчати їх дуже складно: нейтрино майже невловимі. Не беручи участь ні в сильній, ні в електромагнітній взаємодіях, вони проникають через речовину, начебто її взагалі немає. Нейтрино — це якісь "примари" фізичного світу.

Досить поширеними в природі є мюони, на частку яких припадає значна частина космічного випромінювання. Мюон — одна з перших відомих нестабільних субатомних частинок, відкрита в 1936 р. У всіх відношеннях мюон нагадує електрон: має той же заряд і спін, бере участь у тих же взаємодіях, але має велику масу й нестабільний. Приблизно за дві мільйонні частки секунди мюон розпадається на електрон і два нейтрино. Наприкінці 70-х pp. було виявлено третій заряджений лептон, який одержав назву "тау-лептона". Це дуже важка частинка. її маса близько 3500 мас електрона, але у всьому іншому він поводиться подібно електрону й мюону.

Значно розширився список лептонів у 60-х pp. Було встановлено, що існує кілька типів нейтрино: електронне нейтрино, мюонне нейтрино і тау-нейтрино. Таким чином, загальна кількість різновидів нейтрино дорівнює трьом, а загальне число лептонів — шести. Зрозуміло, у кожного лептона є своя античастинка; таким чином, загальна кількість різних лептонів дорівнює дванадцяти. Нейтральні лептони беруть участь тільки в слабкій взаємодії; заряджені — у слабкій та електромагнітній (див. таблицю)

Адрони

Якщо лептонів дванадцять, то адронів сотні; і переважна більшість з них — резонанси, тобто вкрай нестабільні частинки. Той факт, що адронів існують сотні, наводить на думку, що адрони — не елементарні частинки, а складаються з більш дрібних частинок. Всі адрони зустрічаються у двох різновидах — електрично заряджені й нейтральні. Найбільш відомі й поширені такі адрони, як нейтрон і протон. Інші адрони мають дуже нетривалий час існування і швидко розпадаються. Це клас баріонів (важкі частинки гіперони й баріонні резонанси) і велике сімейство мезонів (мезонні резонанси). Адрони беруть участь у сильній, слабкій та електромагнітній взаємодіях.

Існування й властивості більшості відомих адронів було встановлено в дослідах на прискорювачах. Відкриття безлічі різноманітних адронів у 50—60-х pp. украй спантеличило фізиків. Але згодом частинки вдалося класифікувати за масою, зарядом і спіном. Поступово стала вибудовуватися більш-менш чітка картина. З'явилися конкретні ідеї про те, як систематизувати хаос емпіричних даних, розкрити таємницю адронів у цілісній науковій теорії. Вирішальний крок було зроблено в 1963 p., коли було створено кваркову модель адронів.

Частинки — носії взаємодій

Перелік відомих частинок не вичерпується лептонами й адронами, які є будівельним матеріалом речовини. У цей перелік не включено, наприклад, фотон. Є ще один тип частинок, які не є будівельним матеріалом матерії, а безпосередньо забезпечують чотири фундаментальні взаємодії, тобто утворюють своєрідний "клей", що не дозволяє світу розпадатися на частини.

Носієм електромагнітної взаємодії є фотон. Теорію електромагнітної взаємодії обґрунтовує квантова електродинаміка.

Носії сильної взаємодії — глюони. Глюони — носії взаємодії між кварками, які пов'язують їх попарно або трійками.

Носіями слабкої взаємодії є три частинки —  і -бозони. їх було відкрито лише в 1983 р. Радіус слабкої взаємодії надзвичайно малий, тому його носіями повинні бути частинки з великими масами спокою. Відповідно до принципу невизначеності час існування частинок з такою великою масою спокою повинен бути надзвичайно коротким — усього лише близько с.

Висловлюється думка про можливе існування носія гравітаційного поля — гравітон. Подібно до фотонів, гравітони рухаються зі швидкістю світла; отже, це частинки з нульовою масою спокою. Але цим подібність між гравітонами й фотонами вичерпується. У той час як фотон має спін 1, спін гравітона дорівнює 2. Ця важлива відмінність визначає напрямок сили: при електромагнітній взаємодії однойменно заряджені частинки (електрони) відштовхуються, а при гравітаційній — усі частинки притягаються одна до одної. Власне кажучи, гравітони можна зафіксувати за допомогою експерименту. Але оскільки гравітаційна взаємодія дуже слабка й у квантових процесах практично не виявляється, то безпосередньо зафіксувати гравітони дуже складно й поки що цього зробити не вдалося.

Класифікація частинок