Элементарные частицы
Элементарными называют частицы, у которых на данный момент не обнаружено внутренней структуры. Еще в прошлом веке элементарными частицами считались атомы. Их внутренняя структура — ядра и электроны — была обнаружена в начале XX в. в опытах Э. Резерфорда. Размер атомов — около 10 -8 см, ядер — в десятки тысяч раз меньше, а размер электронов совсем мал. Он меньше чем 10 -16 см, как это следует из современных теорий и экспериментов.
Таким образом, сейчас электрон — элементарная частица. Что касается ядер, то их внутренняя структура обнаружилась вскоре после их открытия. Они состоят из нуклонов — протонов и нейтронов. Ядра довольно плотные: среднее расстояние между нуклонами всего в несколько раз больше их собственного размера. Для того чтобы выяснить, из чего состоят нуклоны, понадобилось около полувека, правда, при этом заодно появились и были разрешены и другие загадки природы.
Нуклоны состоят из трех кварков, которые элементарны с той же точностью, что и электрон, т. е. их радиус меньше 10-16 см. Радиус нуклонов — размер области, занимаемой кварками, — около 10-13см. Нуклоны принадлежат к большому семейству частиц — барионов, составленных из трех различных (или одинаковых) кварков. Кварки могут по-разному связываться в тройки, и это определяет различия в свойствах бариона, например, он может иметь различный спин.
Кроме того, кварки могут соединяться в пары - мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Спин мезонов принимает целые значения, в то время как для барионов он принимает полуцелые значения. Вместе барионы и мезоны называются адронами.
В свободном виде кварки не найдены, и согласно принятым в настоящее время представлениям они могут существовать только в виде адронов. До открытия кварков некоторое время адроны считались элементарными частицами (и такое их название еще довольно часто встречается в литературе).
Первым экспериментальным указанием на составную структуру адронов были опыты по рассеянию электронов на протонах на линейном ускорителе в Станфорде (США), которые можно было объяснить, лишь предположив наличие внутри протона каких-то точечных объектов.
Вскоре стало ясно, что это — кварки, существование которых предполагалось еще ранее теоретиками.
Здесь представлена таблица современных элементарных частиц. Кроме шести видов кварков (в опытах пока проявляются только пять, но теоретики предполагают, что есть и шестой) в этой таблице приведены лептоны — частицы, к семье которых принадлежит и электрон. Еще в этой семье обнаружены мюон и (совсем недавно) t-лептон. У каждого из них есть свое нейтрино, так что лептоны естественным образом разбиваются на три пары е, nе; m, nm;t, nt.
Каждая из этих пар объединяется с соответствующей парой кварков в четверку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, как это видно из таблицы. Отличаются лишь массы. Второе поколение тяжелее первого, а третье поколение тяжелее второго.
В природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные создаются искусственно на ускорителях заряженных частиц или при взаимодействии космических лучей в атмосфере.
Кроме имеющих спин 1/2 кварков и лептонов, вместе называемых частицами вещества, в таблице приведены частицы со спином 1. Это кванты полей, создаваемых частицами вещества. Из них наиболее известная частица — фотон, квант электромагнитного поля.
Так называемые промежуточные бозоны W+ и W- , обладающие очень большими массами, были недавно обнаружены в экспериментах на встречных р-пучках при энергиях в несколько сотен ГэВ. Это переносчики слабых взаимодействий между кварками и лептонами. И наконец, глюоны — переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и сами кварки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются на промежуточных стадиях реакций рождения и уничтожения адронов. Недавно были зарегистрированы струи адронов, порожденные глюонами. Поскольку все предсказания теории кварков и глюонов — квантовой хромодинамики — сходятся с опытом, почти нет сомнений в существовании глюонов.
Частица со спином 2 — это гравитон. Его существование вытекает из теории тяготения Эйнштейна, принципов квантовой механики и теории относительности. Обнаружить гравитон экспериментально будет чрезвычайно трудно, поскольку он очень слабо взаимодействует с веществом.
Наконец, в таблице со знаком вопроса приведены частицы со спином 0 (Н-мезоны) и 3/2 (гравитино); они не обнаружены на опыте, но их существование предполагается во многих современных теоретических моделях.
Элементарные частицы
спин
0?
1/2
1
3/2
2?
название
Частицы
Хиггса
Частицы вещества
Кванты полей
кварки
лептоны
фотон
векторные бозоны
глюон
гравитино
гравитон
символ
H
u
d
ne
e
g
Z
W
g
(масса)
(?)
(?)
(0,5)
(0)
(~95Гэв)
(~80Гэв)
(?)
(?)
символ
с
s
nm
m
(масса)
(0?)
(106)
символ
t
b
nt
t
(масса)
(0?)
(1784)
Барионный
заряд
0
1/3
1/3
0
0
0
0
0
0
0
0
Электрический
заряд
0, ±1
2/3
1/3
0
-1
0
0
±1
0
0
0
цвет
-
3
3
-
-
-
-
-
8
-
-
Адроны — общее название для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы — мезоны и барионы.
Барионы (от греческого слова, означающего «тяжелый») — это адроны с полуцелым спином . Самые известные барионы — протон и нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда-то странностью. Единицей странности обладают барион лямбда (L°) и семейство барионов сигма (S-, S+ и S°). Индексы +, - ,0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обладают барионы кси (X- и X°). Барион W- имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10-10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микромира это не так. Такая частица, даже двигаясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой скорости, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оставить свой след в детекторе элементарных частиц. Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антибарионов.
