Элементарные Частицы

, в узком смысле - частицы, к-рые нельзя считать Состоящими из других частиц. В совр. Физике термин "Э. Ч." используют в более широком смысле. Так наз. Мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон). Иногда по этой причине Э. Ч. Называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами. Э. Ч. Участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс Э. Ч. Их гравитационное взаимод. Обычно не учитывается. Все Э. Ч. Разделяют на три осн. Группы. Первую составляют т. Наз. 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 физ. Воздействия и является одной из фундам. Физ. Постоянных. Принято, что с = (299792458 1,2) м/с. Вторая группа Э. Ч.- лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов. электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый -лептон и соответствующее нейтрино. Электрон (символ е) считается материальным носителем наименьшей массы в природе m с, равной 9,1 x 10-28 г (в энергетич. Единицах 0,511 МэВ) и наименьшего отрицат. Электрич. Заряда е =1,6 x 10-19 Кл. Мюоны (символ ) - частицы с массой ок. 207 масс электрона (105,7 МэВ) и электрич.

Зарядом, равным заряду электрона. Тяжелый -лептон имеет массу ок. 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа нейтрино - электронное (символ vc), мюонное (символ ) и -нейтрино (символ ) - легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы. Все лептоны имеют спин ( - постоянная Планка), т. Е. По статистич. Св-вам являются фермионами (см. Статистическая термодинамика). Каждому из лептонов соответствует античастица, имеющая те же значения массы, спина и др. Характеристик, но отличающаяся знаком электрич. Заряда. Существуют позитрон (символ е +) - античастица по отношению к электрону, положительно заряженный мюон (символ ) и три типа антинейтрино (символ ), к-рым приписывают противоположный знак особого квантового числа, наз.

Лептонным зарядом (см. Ниже). Третья группа Э. Ч,- адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу электрона. Это наиб. Многочисленная группа Э. Ч. Адроны делятся на барионы - частицы со спином мезоны - частицы с целочисленным спином (О или 1). А также т. Наз. Резонансы - короткоживущие возбужденные состояния адронов. К барионам относят протон (символ р) - ядро атома водорода с массой, в ~ 1836 раз превышающей m с и равной 1,672648 x 10-24 г (938,3 МэВ), и положит. Электрич. Зарядом, равным заряду электрона, а также нейтрон (символ n) - электрически нейтральная частица, масса к-рой немного превышает массу протона.

Из протонов и нейтронов построены все ядра атомные, именно сильное взаимод. Обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют одинаковые св-ва и рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы - нуклона с изотопич. Спином (см. Ниже). Барионы включают и гипероны - Э. Ч. С массой больше нуклонной. -гиперон имеет массу 1116 МэВ, -гиперон- 1190 МэВ, -гиперон -1320 МэВ, -гиперон- 1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами протона и электрона ( -мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положит. И отрицат. Элементарным электрич. Зарядом). Все мезоны по своим сгатистич. Св-вам относятся к бозонам. Основные свойства Э. Ч. Каждая Э. Ч. Описывается набором дискретных значений физ.

Величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех Э. Ч. - масса, время жизни, спин, электрич. Заряд. В зависимости от времени жизни Э. Ч. Делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности совр. Измерений) являются. Электрон (время жизни более 5 -1021 лет), протон (более 1031 лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимод., их времена жизни более 10-20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимод., их характерные времена жизни 10-22-10-24 с. Внутренними характеристиками (квантовыми числами) Э. Ч. Являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды. Эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундам.

Взаимод. 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, -мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными св-вами по отношению к сильному взаимод., но с разл. Значениями электрич. Заряда. Простейший пример -протон и нейтрон. Общее квантовое число для таких Э. Ч.-т. Наз. Изотопич. Спин, принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения 1. Важное св-во Э. Ч.- их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или др.

Взаимодействий. Один из видов взаимопревращений - т. Наз. Рождение пары, или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае - образование пары Э. Ч. С противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар е - е +, мюонных пар новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb -состояний (см. Ниже). Другой вид взаимопревращений Э. Ч.- аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (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 е - е + и мюония Эти нестабильные системы, часто наз.

Водородоподобными атомами, их время жизни в в-ве в большой степени зависит от св-в в-ва, что позволяет использовать водородоподобные атомы для изучения структуры конденсир. В-ва и кинетики быстрых хим. Р-ций (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 св-вами, названные унитарными мультиплетами. Числа входящих в них частиц равны 8 (октет) и 10 (декуплет). Частицы, входящие в состав унитарного мультиплета, имеют одинаковые спин и внутр. Четность, но различаются значениями электрич. Заряда (частицы изотопич.

Мультиплета) и странности. С унитарными группами связаны св-ва симметрии, их обнаружение явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из к-рых построены адроны,-кварков. Считают, что адроны представляют собой комбинации 3 фундам. Частиц со спином 1/2. И-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 разл. Сочетаниями и-, d-, s-, с- и b-кварков, образующих связные состояния. Обычным адронам (протону, нейтрону, -мезонам) соответствуют связные состояния, построенные из и- и d-кварков. Наличие в адроне наряду с и- 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 кон. 60-х - нач. 70-х гг. 20 в. Кварки фактически стали рассматриваться как новые Э. Ч.- истинно Э. Ч. Для адронной формы материи. Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер и дает основания предполагать, что они являются теми Э.

Ч., к-рые замыкают цепь структурных составляющих в-ва. Существуют теоретич. И эксперим. 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 в-ва. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления материи. Краткие исторические сведения. Первой открытой Э. Ч. Был электрон - носитель отрицат. Электрич. 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 отд.

Квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Существование нейтрино как особой Э. Ч. Впервые предложил В. Паули (1930). Экспериментально электронное нейтрино открыто в 1953 (Ф. Райнес, К. Коуэн). При исследовании космич. Лучей были обнаружены. Позитрон (К. Андерсон, 1932), мюоны обоих знаков электрич. Заряда (К. Андерсон и С. Неддермейер, 1936), и К-мезоны (группа С. Пауэлла, 1947. Существование подобных частиц было предположено X. Юкавой в 1935). В кон. 40-х - нач. 50-х гг. Были обнаружены "странные" частицы. Первые частицы этой группы - К +-> и К - -мезоны, Л-гипероны - были зафиксированы также в космич. Лучах. С нач. 50-х гг. Ускорители превратились в осн. Инструмент исследования Э. Ч. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти- -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, к-рые оказались тесно связанными с новым семейством Э. Ч.- "очарованных", их первые представители открыты в 1976. В 1975 обнаружен тяжелый аналог электрона и мюона - -лептон, в 1977 - частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981 - "красивые" частицы. В 1983 открыты самые тяжелые из известных Э. Ч.- бозоны (масса 80 ГэВ) и Z.