Классификация элементарных частиц



Все элементарные частицы в настоящее время принято делить на лептоны и адроны. Лептоны (от греческого лептос — легкий) — фермионы, не участвующие в сильном взаимодействии. Адроны (от греческого хадрос — крупный, массивный) — сильновзаимодействующие частицы, включающие в себя барионы — частицы с полуцелым спином (фермионы) с массой не меньше массы протона, барионные резонансы (барионы со средним временем жизни ~ c) и мезоны — частицы с целым спином (бозоны) и мезонные резонансы. Отдельную группу частиц составляют переносчики взаимодействий — фундаментальные векторные бозоны. Все адроны состоят из кварков (барионы из нечетного числа, мезоны — из четного).

Все барионы, кроме протона, нестабильны и путём последовательных распадов превращаются в протон и лёгкие частицы. Барионы участвуют во всех известных взаимодействиях: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Первоначально термин «мезон» имел смысл «средний по массе», поэтому в этот разряд попали и мюоны, которые назывались μ-мезонами. Позднее было установлено, что мюоны не участвуют в сильном взаимодействии, а относятся, как и электрон, к классу лептонов, поэтому название μ-мезон является неправильным.

Основные характеристики элементарных частиц. Главными характеристиками элементарных частиц являются масса — m, время жизни — τ, электрический заряд — q, спин — s, барионное и лептонное числа (заряды) — (В, L).

Масса определяет энергию покоя частицы. Нулевую массу покоя имеет фотон. Масса покоя нейтрино, мала, но точно пока не определена. Протон обладает минимальной массой среди барионов ( = 1.672· кг).

Время жизни. Электрон, протон, фотон и нейтрино — стабильные частицы. Время жизни свободного нейтрона порядка 900 секунд. Большинство элементарных частиц нестабильны, их времена жизни колеблются в пределах от нескольких микросекунд до с.

Электрический заряд. Электрические заряды всех изученных элементарных частиц (кроме кварков) являются целыми кратными фундаментального заряда е=1.6·

Кл (е — элементарный заряд, численно равный заряду электрона, или протона). Суммарный электрический заряд изолированной системы сохраняется.

Кроме закона сохранения электрического заряда, в микромире большую роль играют законы сохранения барионного и лептонного зарядов, которые (наряду с законами сохранения энергии, импульса и момента импульса) определяют возможные превращения элементарных частиц.

Барионное (В) и лептонное (L) числа (заряды) характеризуют принадлежность частицы к классу барионов или лептонов. У барионов нет лептонного заряда (L= 0), для барионов В= 1, для античастиц B= −1. У лептонов отсутствует барионный заряд, а их лептонный заряд равен L= 1 — для частиц (электрон, нейтрино) и соответственно L= -1 — для античастиц (позитрон, антинейтрино). Строго говоря, , где , , — лептонные числа, связанные с различными видами лептонов. Во всех взаимопревращениях элементарных частиц выполняются законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов.

Лептоны. Лептоны — фермионы, не участвующие в сильных взаимодействиях. Известны три пары лептонов: электрон − и электронное нейтрино , мюон и мюонное нейтрино

, тау-лептон и тау-нейтрино . Спин лептонов равен 1/2. Окончательно не установлено, являются ли нейтрино истинно нейтральными частицами или у них есть античастицы. У лептонов не обнаружено какой-либо структуры, поэтому они являются фундаментальными частицами. Масса мюона и тау-лептона равны 106 МэВ и 1784 МэВ. Время жизни мюона с, а тау-лептона — с. Масса каждого типа нейтрино много меньше массы соответствующего заряженного лептона. Современные экспериментальные оценки масс нейтрино следующие:

m( ) < 10 эВ, m( ) < 0.17 МэВ, m( ) < 18 МэВ.

Адроны, кварки и глюоны. К классу адронов принадлежит более 400 частиц. Все они имеют кварковую структуру. Существует шесть разновидностей кварков, называемых «ароматами» (от английского — flavours): и, d, s, c, b и t (обозначения кварков связаны с их английскими названиями up — верхний, down — нижний, strange — странный, charm — очарованный, bottom и top). Все кварки имеют спин, равный 1/2, т. е. являются фермионами. Их массы равны ≈5 МэВ,

≈7 МэВ, ≈150 МэВ, ≈1,3 ГэВ, ≈5 ГэВ, ≈160 ГэВ. Кварки u, c и t , называемые верхними, имеют электрический заряд +2/3, а кварки d, s и b , называемые нижними — заряд — 1/3.

Все барионы состоят из трех кварков и являются фермионами, мезоны состоят из кварка и антикварка и являются бозонами. Протон состоит из двух u -кварков и одного d –кварка ( p=uud ), а нейтрон из двух d -кварков и одного u -кварка ( n=ddu ). мезон состоит из u и кварков, = , а, =

. и мезоны являются античастицами. мезон является квантовой суперпозицией двух состояний и . В таблице 1 приведены основные характеристики, в том числе кварковый состав некоторых барионов и барионных резонансов.

Таблица 1

Некоторые барионы и барионные резонансы (L = 0, В = 1)

Сумма масс входящих в состав адронов кварков намного меньше массы соответствующего адрона. Это происходит потому, что кварки, входящие в состав адронов, окружены «шубой» из глюонов. Как видно из таблицы, некоторые барионы состоят из трех одинаковых кварков и имеют спин 3/2. Кварки, обладая спином ½, являются фермионами, поэтому нахождение сразу трех фермионов в одинаковом состоянии противоречит принципу Паули. Оказалось, что у кварков имеется еще одно квантовое число, названное цветом, которое может принимать три значения — R (red — красный), G (green — зеленый), B (blue — синий). Поэтому данному аромату соответствуют три кварка с разными цветами R, G, B и три антикварка с цветами

(антикрасный), (антизеленый) и (антисиний). Всего существует 18 кварков и 18 антикварков. Смесь всех трех цветов считается белой, пара кварк-антикварк обладает «скрытым» цветом.

Цветовой заряд кварка создает глюонное поле по аналогии с электрическим зарядом, создающим электромагнитное поле. Его кванты — глюоны осуществляют сильное взаимодействие (в случае электромагнитного поля эту роль играют фотоны). И глюоны и фотоны имеют нулевую массу покоя. Фотоны электрически нейтральны и не могут испускать фотоны. У глюонов есть цветовой заряд, и поэтому они сами могут испускать и поглощать глюоны, участвуя таким образом в сильных взаимодействиях. Каждый глюон обладает двумя цветовыми зарядами (цветом и антицветом). Существует 8 разных глюонов: 6 — явноокрашенных ( ) и два со скрытым цветом.

Свободные кварки получить не удалось. Это явление получило название «конфайнмент» (от английского confinement — пленение, тюремное заключение) и объясняется сильным взаимодействием цветовых зарядов. На расстояниях больших м это взаимодействие становится настолько сильным, что на большие расстояния ни сами заряды (глюоны), ни кварки вырваться не могут. Поэтому в свободном виде могут существовать только такие комбинации цветовых зарядов, у которых суммарный цветовой заряд равен нулю.

Литература:

1. Трофимова Т. И. Курс физики. — М: Изд.центр «Академия», 2008, — 560 с.
2. А. И. Черноуцан. Краткий курс физики. — М.: Физматлит, 2002. — 320 с.