Некоторые сведения об элементарных частицах

Иерархическая пирамида строения вещества выглядит так. Все вещества состоят из молекул; молекулы – из атомов; атомы построены из электронов и ядер; ядра – из протонов и нейтро­нов. Но электроны, протоны и нейтроны уже нельзя предста­вить «состоящими из» каких-либо других отдельно существую­щих частиц, поэтому их называют элементарными частица­ми. Однако термин «элементарная частица» указывает только на то, что по современным представлениям эти частицы не обла­дают какой-либо внутренней структурой, но совсем не означает, что свойства таких частиц просты (элементарны). Наоборот элементарные частицы обладают весьма сложными и многообразными свойствами, претерпевают раз­личные превращения. В настоящее время открыто свыше 300 элементарных час­тиц. Некоторые их них (электрон, протон, нейтрон, фотон, нейтрино) устойчивы и составляют большую часть материаль­ного мира. Другие же встречаются лишь в космическом излуче­нии или получены искусственным путем в мощных ускорите­лях и имеют очень малое время жизни. В настоящем пособии не представляется возможным изло­жить сколь-нибудь полно современные представления об эле­ментарных частицах, тем более что многие из этих представле­ний только складываются и свойства элементарных частиц до конца еще не изучены.

На сегодняшний день физики классифицируют элементарные частицы по тем или иным при­знакам, отыскивают общие свойства, позволяющие объединить их в более или менее крупные группы. Одна из возможных классификаций в ее самом общем виде приведена в таблице.

При классификации учитывают такие свойства частиц, как электрический заряд, масса покоя, спин и др. Элементарные частицы могут иметь положительный или отрицательный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (элементарный заряд), либо вовсе не иметь заряда. Например, заряд протона (+1), заряд нейтрона (0), заряд л-мезонов (±1) и (0) и т. д. Элементарных частиц с зарядом, превышающим едини­цу, не найдено.

По величине массы покоя элементарные частицы можно классифицировать так: 1) фотон (масса покоя равна нулю), 2) лептоны (масса покоя составляет от одной до сотен электрон­ных масс), 3) мезоны (масса покоя имеет промежуточное значе­ние между массами лептонов и нуклонов), 4) барионы (масса по­коя равна или превышает массу покоя нуклонов).

Спин – собственный механический момент импульса эле­ментарной частицы – в ядерной физике измеряется в единицах . Он может быть равен 0 (мезоны), /2 (электрон, нуклоны, гипероны), 1 (фотон). Кроме того, предполагают, что спин W-гиперона равен 3 /2.

Античастицы. П.Дирак в 1928–1931 гг. теоретически предсказал сущест­вование античастиц. Они должны иметь массу, тождествен­ную массе соответствующих частиц и противоположные другие параметры (заряд, спин и т. д.). В 1933 г. К.Андерсон открыл первую античастицу – антиэлектрон, которую назвали позит­роном. В настоящее время почти у каждой частицы обнаружена античастица. Более того, получены даже ядра атомов антиводо­рода и антигелия. Это наводит на мысль, что во Вселенной воз­можно существование антивещества, скажем в виде антигалак­тик. Установить принадлежность далеких галактик к веществу или антивеществу очень сложно, так как квант электромагнит­ного излучения (фотон) – основной источник информации о них – тождественен антифотону. Встреча вещества с антивеще­ством явилась бы катастрофой. Дело в том, что при столкнове­нии частицы и античастицы происходит аннигиляция – обе частицы перестают существовать как таковые и превращаются в другие частицы, главным образом в фотоны: е^- + е⁺ ®2у,

По закону сохранения энергии энергия двух образующихся фо­тонов равна энергии покоя исходных частиц: , отку­да ясно, что аннигиляция сопровождается выделением колоссальнейшей энергии. Эффективность такой реакции примерно в 10³ раз выше, чем термоядерного синтеза. Имеет место и обратный процесс: при взаимодействии фото­на с веществом может образоваться пара частица – античасти­ца. Естественно, энергия фотона при этом должна быть не мень­ше энергии покоя двух образующихся частиц: .

Помимо рассмотренных выше реакций возможны и многие другие превращения элементарных частиц. Например:

В заключение следует сказать, что физика элементарных частиц еще далека от завершения и в настоящее время многие ее разделы интенсивно развиваются.

ВОПРОСЫ