Классификации элементарных частиц.

Элементарные частицы

Проблема элементарности микрочастиц

До 1932 г. физики знали три элементарные частицы – электрон, протон и фотон. В 1945 уже было известно 30 элементарных частиц. В настоящее время общее число частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Дать строгое определение понятия элементарной частицы затруднительно. В качестве первого приближения под элементарными частицами можно понимать такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц. У подавляющего большинства частиц, которые сравнительно недавно считались элементарными, обнаружена внутренняя структура. К их числу относятся протоны, нейтроны, мезоны и другие частицы. Несмотря на это, за частицами сохранилось название элементарных. В ядерной физике под элементарными частицами теперь понимают все микроскопические частицы, кроме атомов и атомных ядер. Среди всех элементарных частиц те из них, которым согласно современным представлениям отводится роль предельно малых порций материи, называются истинно элементарными (например, нейтрино, электрон, фотон).

Для всех элементарных частиц характерны исключительно малые размеры и массы. Так линейные размеры нуклона и пиона (π-мезона) равны , электрона .

Типы взаимодействий

Известны четыре типа взаимодействий между элементарными частицам:

1) Сильное

2) Электромагнитное

3) Слабое

4) Гравитационное

Они перечислены в порядке убывания интенсивности (таблица 1)

Вид взаимодействия	Интенсивность	Радиус действия, см	Характерное время, с.
Сильное
Электромагнитное
Слабое
Гравитационное

Таблица №1

Наиболее сильным является взаимодействие между ядерными частицами (ядерное взаимодействие).

Сильное взаимодействие является короткодействующим, радиус действия между частицами ФОРМУЛА. Многие частицы – пиона (π– мезоны), каоны (k – мезоны), гипероны вступают в сильные взаимодействия необходимо время

c

 

 

Сильное взаимодействие между частицами вызывает рождение новых частиц. Фотон и электрон не вступают в эти взаимодействия. В связи с этим, говорят, что сильные взаимодействия не универсальны.

Следующим по величине является электромагнитное взаимодействие, которое осуществляется через электромагнитное поле. Оно слабее сильного примерно в 100 раз. Радиус действия не ограничен . Наиболее велики кулоновские силы. Нейтральные частицы со спином, например, нейтроны, взаимодействуют только через магнитное поле, источников которого являются магнитные моменты частиц. Ещё слабее электромагнитное взаимодействие между бесспиновыми частицами (например, нейтральными пионами). Нейтрино не участвует в электромагнитных взаимодействиях. Время, необходимое для осуществления с его величиной, больше на два порядка, по сравнению с сильным, и составляет

Далее следует слабое взаимодействие. Это взаимодействие в раз меньше сильного и в раз меньше электромагнитного. Это взаимодействие ответственно за все виды β-паспада ядер, за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом. В слабых взаимодействиях участвуют все частицы, кроме фотонов. Это свойство называют универсальностью слабых взаимодействий. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Процессы, обусловленные слабым взаимодействием, требуют времени больше, чем в случае сильных, на 14 порядков, т.е. .

Самое слабое из всех известных взаимодействий – гравитационное. В этих взаимодействиях участвуют все частицы без исключения, так что гравитационные взаимодействия абсолютно универсальны. Силы гравитации имеют неограниченный радиус действия и всегда являются только силами притяжения. Чрезвычайная малость гравитационных сил позволяет игнорировать их в ядерной физике. Возможно, что ситуация эта – временная.

Общим свойством всех фундаментальных взаимодействий является их способность вызывать распады частиц. Среди известных частиц, стабильны только 11:

1) Фотон

2) Электрон и позитрон

3) Протон и антипротон

4) Три типа нейтрино

Все остальные частицы либо нестабильны, либо являются резонансами, имеющими время жизни .

Почти все частицы, за исключением фотона, – мезона, и – мезона, имеют античастицы. Античастицы, например, электрон и позитрон, способны к аннигиляции:

 

Классификации элементарных частиц.

В настоящее время, элементарные частицы делятся на четыре группы (таблица 2)

Название частицы	Частица	Анти-частица	Электр. заряд, е	Спин, ћ	Масса		L	B	Схема распада
1. Фотон				Стаб
1. Электрон				½		Стаб
2. Мюон				½
3. Тяжелый лептон				½
4. Электронное нейтрино				½		Стаб
5. Мюонное нейтрино				½		Стаб
6. Тау-нейтрино				½
1. Пион
2. Пи-нуль-мезон
3. Каон
4. Ка-нуль-мезон
5. Эта-мезон
1. Протон	p			½		Стаб
2. Нейтрон	n			½
3. Лямбда-гиперон				½
4. Сигма-плюс-гиперон			+1	½
5. Сигма-минус-гиперон			-1	½
6. Сигма-нуль-гиперон				½
7. Кси-нуль-гиперон				½
8. Кси-минус-гиперон				½
9. Омега-гиперон			-1	½

1. Фотоны. Они не имеют электрического заряда и массы покоя. Их основные характеристики: энергия = , спин равен единице (S=1*ћ). Фотоны оптического диапазона появляются при переходах атомов и молекул из возбужденных состояний в состояния с меньшей энергией. Гамма-фотоны появляются в результате аналогичных процессов, происходящих внутри ядер. При торможении электронов высоких энергий могут быть получены фотоны. Если фотон тормозится при ударе об ядро, происходит образование пары электрон+позитрон:

Фотоны участвуют только в электромагнитных взаимодействиях.

2. Лептоны. Они получили название от греческого слова «лептос» - легкий, мелкий. (Лепта – мелкая греческая монета, отсюда выражение – внести свою лепту). Общее число лептонов невелико, их всего шесть: электрон, мюон, таон ( -лептон) и три вида нейтрино-электронное нейтрино , мюонное нейтрино , и таонное нейтрино . Все частицы имеют античастицы. Нейтрино не имеют электрического заряда и массы покоя, подобно фотонам они движутся со скоростью света.

Все лептоны имеют спин, равный половине (S=1/2*ћ). Для того, чтобы отличить элементарные частицы, входящие в группу лептонов, им приписывается квантовое число L, называемое лептонным зарядом.

Считается, что все лептоны имеют лептонный заряд L=+1, а антилептоны L=-1. Все остальные элементарные частицы не имеют лептонного заряда, для них L=0. Таким образом, если электрон и позитрон различаются знаком электрического и лептонного зарядов (-e и +е), то нейтрино и антинейтрино различаются только знаком лептонного заряда.

Во всех реакциях выполняется не только закон сохранения электрического заряда, но и закон сохранения лептонного заряда. Например, нейтрон в свободном состоянии не стабилен (радиоактивен). Он самопроизвольно(с периодом полураспада Т=12 мин) распадается по схеме:

Где электронное антинейтрино. У нейтрона и протона L=0, у электрона L=+1; значит, должна быть частицы с L=-1, это антинейтрино (у антинейтрино l=+1).

Мюоны – элементарные частицы с массой покоя примерно в 207 раз больше массы электрона. Среднее время жизни . Впервые открыты в 1946 г. в космических лучах.

Самая тяжелая частицы среди лептонов – -лептон (таон), его масса , где – масса электрона (самого легкого лептона). Тау – лептон был открыт в 1975 г. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Спин всех лептонов равен ½.

 

 

3. Третий класс частиц – мезоны. Это сильно взаимодействующие нестабильные частицы. К ним относятся – мезоны, называемые пионами, – мезоны, называемые каонами и эта-мезон( -мезон).

-мезон и -мезон не имеют античастиц и называются абсолютно нейтральными частицами.

Общая характеристика мезонов – отсутствие спина (S=0). Масса частиц, входящих в эту группу находится в диапазоне 270-1000 . Среднее время жизни . Мезоны не имеют лептонного заряда (L=0). Мезоны обладают также слабым и электромагнитным взаимодействием.

4. Барионы. К ним относятся:
1) протон и антипротон

2) нейтрон и антинейтрон

3) гиперон и антигиперон

 

Это нестабильные частицы, с массой покоя в 2000-3000 раз больше массы электрона()

Все барионы имеют спин, равный половине. Все барионы участвуют в сильных взаимодействиях, и следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Барионы открыты в космических лучах в начале 20-ч годов ХХ столетия. С 1953г. их получают на ускорителях. За исключением протона, все барионы не стабильны, среднее время жизни ФОРМУЛА.

При распаде барионов наряду с другими частицами, образуется другой барион. Эта закономерность является проявлением закон сохранения барионного заряда. Всем барионам приписывается квантовое барионное число В=+1, антибарионам В=-1. Все остальные частицы не имеют антибарионного заряда (В=0). Для всех реакций с участием барионов выполняется закон сохранения барионного заряда.

Барионы и мезоны объединяют в один класс сильнодействующих частиц, называемых адронами (адрос – с греческого означает крупный, массивный).

5. Кварки

В 60-у годы ХХв. Возникли сомнения в том, что все частицы, называемые элементарными, полностью оправдывают свое название. Основание простое – этих частиц оказалось очень много (ФОРМУЛА).

В 1964 г. Гелл-ман и Дж.Цвейг предложили модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях (адроны) построены из более фундаментальных частиц – кварков, имеющих дробные квантовые числа, в частности они имеют дробный электрический заряд и , где е – заряд электрона. Сначала считали, что существует три кварка. Их обозначают буквами:

U, d, и S

И три антикварка:

Но потом, системы кварков пришлось расширить, появились кварки:

C, b и t

И соответственно антикварки:

Итого: 6 кварков и 6 антикварков.

В таблице 3 указаны свойства кварков. Кроме электрического заряда и спина кварки характеризуются квантовыми числами, которые называют «странность» и «очарование» (шарм или чарм)

 

	Тип кварка (аромат)	Электр. заряд, q	Барион. заряд, В	Спин, ћ	Странность, S	Очарование, C	Цвет
	U (верхний)						ж.с.к.
	d (нижний)						ж.с.к.
	S (странность)				-1		ж.с.к.
	C (очарование)					+1	ж.с.к.
	b (прелестный)						ж.с.к.
	t (истинный)						ж.с.к.
							ф.о.з
							ф.о.з
					+1		ф.о.з
						-1	ф.о.з
							ф.о.з
							ф.о.з

Таблица 3.

Согласно теории кварков, мезоны образуются из пары кварк-антикварк, например, -мезон () состоит из U-кварка и -антикварка; барионы состоят из трех кварков, например протон состоит из двух U-кварков и одного d-кварка, т.е. (U U d).

В связи с тем, что связанные состояния из трех кварков (типа SSS) противоречат принципу Паули, было введено понятие цвета кварка. Каждый кварк может существовать в трех «окрашенных» формах – желтый, синий и красный (смесь этих цветов дает «нулевой» белый цвет). Тогда S-кварки, образующие - гиперон (S S S), имеют неодинаковую окраску, и принцип Паули не нарушается. Таким образом «цвет», так же как «странность» и «очарование» - название квантового числа.

Сочетание цветов кварков в адронах должно быть таким, чтобы средний цвет адрона был нулевым. Например, в состав адрона входят кварки: U(ж), U(с), и d(к). В сумме получается белый цвет.

Антикварки окрашены в дополнительные цвета (антицвета), антицветом желтого является фиолетовый, синего – оранжевый, для красного – зеленый. Мезон, состоящий из кварка и антикварка, дают нулевой(белый) цвет.

В 1974 г. одновременно в двух лабораториях США была открыта частица с огромной массой (более трех масс нуклонов). В одной лаборатории ей дали название J, в другой , в связи с чем, эту частицу назвали (джей-пси-частицей). Вслед за этим открытием было открыто еще 6 ФОРМУЛА частиц.

Эти частицы состоят из четырех кварков.

Кроме U,d и S – кварков, в состав такой частиц входит четвертый «очарованный» кварк. Этот кварк отличается от других пяти тем, что квантовое число С (шарм или чарм) у него равно единице (С=1). Частицы, у которых С=+1, называются очарованными. У остальных, неочарованных кварков, чарм равен нулю (С=0). В состав мезонов и барионов С-кварк не входит.

В 1976 г. были открыты ипсилон частицы ( частицы), в состав которых входит пятый кварк b. Впоследствии был открыт шестой кварк, обозначенный буквой t.

Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии оказались безуспешными. Это приводит к выводу о том, что кварки могут существовать только внутри адронов и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии.