Элементарные частцицы

Классификация элементарных частиц

Все элементарные частицы можно разделить на три группы:

• фотоны – это группа элементарных частиц, которая состоит из одной частицы – фотона;
• лептоны – это группа элементарных частиц, к которой относятся электроны, мюоны, тау-лептоны, электронное нейтрино, мюонное нейтрино, таонное нейтрино и их античастицы;
• адроны – самая большая группа, к которой относятся нуклоны, пионы, каоны, гипероны и их античастицы.

Лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействии. Адроны обладают сильным взаимодействием наряду с электромагнитным и слабым.

Принцип зарядового сопряжения

Для каждой элементарной частицы должна существовать античастица. Из общих принципов квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковую массу, одинаковое время жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды (и магнитные моменты), а также одинаковые остальные характеристики, приписываемые элементарным частицам.

Эксперименты показывают, что за немногим исключением (​\( \gamma \)​-квантов, ​\( \pi^0 \)​-мезонов, ​\( \eta^0 \)​-мезонов) действительно каждой частице соответствует античастица.

Типы взаимодействий элементарных частиц

Различают следующие типы взаимодействий:

• сильное взаимодействие (интенсивность ≈1, радиус действия ≈10^-16 м);
• электромагнитное взаимодействие (интенсивность 1/137, радиус действия ∞);
• слабое взаимодействие (интенсивность ≈10-10, радиус действия ≈10^-18 м);
• гравитационное взаимодействие (интенсивность ≈10^-38, радиус действия ∞).

Сильное взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность ядер, лежащих в основе стабильности вещества.

Электромагнитное взаимодействие характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтронов, антинейтрино и фотона. Оно ответственно за существование атомов и молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Слабое взаимодействие ответственно за взаимодействие частиц, происходящее с участием нейтрино и антинейтрино, а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающихся частиц.

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, но из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и в процессах микромира несущественно.

Кварки

Развитие работ по классификации элементарных частиц сопровождалось поисками новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для построения всех адронов. Эти частицы были названы кварками.

Согласно модели Гелл-Манна–Цвейга, все известные адроны можно было построить, постулировав существование кварков и соответствующих антикварков, если им приписать дробные электрические заряды.

Каждый тип кварка имеет еще одно квантовое число – цвет, которое может принимать три значения: красный, синий и зеленый. Кварки являются фермионами, по современным представлениям они бесструктурны.

Кварки имеют внутренние квантовые числа. Совокупность этих внутренних квантовых чисел, характеризующих определенный тип кварка, называется также «ароматом» кварка.

Барионы (фермионы с барионным числом B = 1) строятся из трех кварков; антибарионы (фермионы с барионным числом B = –1) строятся из трех антикварков; мезоны (бозоны с барионным числом B = 0) строятся из кварка и антикварка. Известные барионы и мезоны – бесцветны.

Кварки в адронах связаны глюонами.

Кварки участвуют в электромагнитных взаимодействиях, излучая или поглощая ​\( \gamma \)​-квант, при этом не изменяется ни цвет, ни тип (аромат) кварков. Кварки также участвуют в сильных и слабых взаимодействиях.

Частицы, связывающие кварки в адроны, называются глюонами.

Фундаментальное свойство элементарных частиц – их взаимопревращаемость.

Для всех типов взаимодействия элементарных частиц выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и электрических зарядов.

В настоящее время считается, что истинно элементарными частицами являются шесть лептонов и шесть антилептонов. Адроны, согласно современным представлениям, состоят из кварков и антикварков.