элементарные частицы

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

в узком смысле — частицы, которые нельзя считать состоящими из других частиц. В совр. физике термин "Э. ч." используют в более широком смысле: так наз. мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине Э. ч. называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами.

Э. ч. участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс Э. ч. их гравитационное взаимод. обычно не учитывается. Все Э. ч. разделяют на три осн. группы. Первую составляют т. наз. бозоны- переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость распространения физ. воздействия и является одной из фундам. физ. постоянных; принято, что с = (299792458± 1,2) м/с.

Вторая группа Э. ч. — лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый-лептон и соответствующее нейтрино. Электрон (символ е) считается материальным носителем наименьшей массы в природе m_с, равной 9,1∙10⁻²⁸ г (в энергетич. единицах 0,511 МэВ) и наименьшего отрицат. электрич. заряда е = 1,6∙10⁻¹⁹ Кл. Мюоны (символ) — частицы с массой ок. 207 масс электрона (105,7 МэВ) и электрич. зарядом, равным заряду электрона; тяжелый-лептон имеет массу ок. 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа нейтрино — электронное (символ v_c), мюонное (символ) и-нейтрино (символ) — легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы.

Все лептоны имеют спин( — постоянная Планка), т. е. по статистич. свойствам являются фермионами (см. статистическая термодинамика).

Каждому из лептонов соответствует античастица, имеющая те же значения массы, спина и др. характеристик, но отличающаяся знаком электрич. заряда. Существуют позитрон (символ е⁺) — античастица по отношению к электрону, положительно заряженный мюон (символ) и три типа антинейтрино (символ ), которым приписывают противоположный знак особого квантового числа, наз. лептонным зарядом (см. ниже).

Третья группа Э. ч,- адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу электрона. Это наиб. многочисленная группа Э. ч. Адроны делятся на барионы — частицы со спином мезоны — частицы с целочисленным спином (О или 1); а также т. наз. резонансы — короткоживущие возбужденные состояния адронов. К барионам относят протон (символ р) — ядро атома водорода с массой, в ~ 1836 раз превышающей m_с и равной 1,672648∙10⁻²⁴ г (938,3 МэВ), и положит. электрич. зарядом, равным заряду электрона, а также нейтрон (символ n) — электрически нейтральная частица, масса которой немного превышает массу протона. Из протонов и нейтронов построены все ядра атомные, именно сильное взаимод. обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют одинаковые свойства и рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы — нуклона с изотопич. спином(см. ниже). Барионы включают и гипероны — Э. ч. с массой больше нуклонной: -гиперон имеет массу 1116 МэВ, -гиперон- 1190 МэВ, -гиперон −1320 МэВ, -гиперон- 1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами протона и электрона (-мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положит. и отрицат. элементарным электрич. зарядом). Все мезоны по своим сгатистич. свойствам относятся к бозонам.

Основные свойства Э.ч. Каждая Э. ч. описывается набором дискретных значений физ. величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех Э. ч. — масса, время жизни, спин, электрич. заряд.

В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности совр. измерений) являются: электрон (время жизни более 5 -10²¹ лет), протон (более 10³¹ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимод., их времена жизни более 10⁻²⁰ с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимод., их характерные времена жизни 10⁻²²–10⁻²⁴ с.

Внутренними характеристиками (квантовыми числами) Э. ч. являются лептонный (символ L) и барионный (символ В) заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундам. взаимод. Для лептонных нейтрино и их античастиц L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих античастиц В = -1.

Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные) адроны — протон, нейтрон, -мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными свойствами по отношению к сильному взаимод., но с разл. значениями электрич. заряда; простейший пример — протон и нейтрон. Общее квантовое число для таких Э. ч. — т. наз. изотопич. спин, принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения1.

Важное свойство Э. ч. — их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или др. взаимодействий. Один из видов взаимопревращений — т. наз. рождение пары, или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае — образование пары Э. ч. с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар е⁻е⁺, мюонных пар новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb-состояний (см. ниже). Другой вид взаимопревращений Э. ч. — аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц и 3 фотона — при суммарном спине, равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).

При определенных условиях, в частности при невысокой скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной системы — позитрония е⁻е⁺ и мюония Эти нестабильные системы, часто наз. водородоподобными атомами, их время жизни в веществе в большой степени зависит от свойств вещества, что позволяет использовать водородоподобные атомы для изучения структуры конденсир. вещества и кинетики быстрых хим. реакций (см. мезонная химия, ядерная химия).

Кварковая модель адронов. Детальное рассмотрение квантовых чисел адронов с целью их классификации позволило сделать вывод о том, что странные адроны и обычные адроны в совокупности образуют объединения частиц с близкими свойствами, названные унитарными мультиплетами. Числа входящих в них частиц равны 8 (октет) и 10 (декуплет). Частицы, входящие в состав унитарного мультиплета, имеют одинаковые спин и внутр. четность, но различаются значениями электрич. заряда (частицы изотопич. мультиплета) и странности. С унитарными группами связаны свойства симметрии, их обнаружение явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из которых построены адроны,-кварков. Считают, что адроны представляют собой комбинации 3 фундам. частиц со спином ¹/₂: и-кварков, d-кварков и s-кварков. Так, мезоны составлены из кварка и антикварка, барионы — из 3 кварков.

Допущение, что адроны составлены из 3 кварков, было сделано в 1964 (Дж. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман). В дальнейшем в модель строения адронов (в частности, для того чтобы не возникало противоречия с принципом Паули) были включены еще 2 кварка — "очарованный" (с) и "красивый" (b), а также введены особые характеристики кварков — "аромат" и "цвет". Кварки, выступающие как составные части адронов, в свободном состоянии не наблюдались. Все многообразие адронов обусловлено разл. сочетаниями и-, d-, s-, с- и b-кварков, образующих связные состояния. Обычным адронам (протону, нейтрону, -мезонам) соответствуют связные состояния, построенные из и- и d-кварков. Наличие в адроне наряду с и- и d-кварками одного s-, с- или b-кварка означает, что соответствующий адрон — "странный", "очарованный" или "красивый".

Кварковая модель строения адронов подтвердилась в результате экспериментов, проведенных в кон. 60-х — нач.

70-х гг. 20 в. Кварки фактически стали рассматриваться как новые Э. ч. — истинно Э. ч. для адронной формы материи. Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер и дает основания предполагать, что они являются теми Э. ч., которые замыкают цепь структурных составляющих вещества. Существуют теоретич. и эксперим. доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия или, иначе говоря, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления материи.

Краткие исторические сведения. Первой открытой Э. ч. был электрон — носитель отрицат. электрич. заряда в атомах (Дж. Дж. Томсон, 1897). В 1919 Э. Резерфорд обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны. Нейтроны открыты в 1932 Дж. Чедвиком. В 1905 А. Эйнштейн постулировал, что электромагнитное излучение является потоком отд. квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Существование нейтрино как особой Э. ч. впервые предложил В. Паули (1930); экспериментально электронное нейтрино открыто в 1953 (Ф. Райнес, К. Коуэн).

При исследовании космич. лучей были обнаружены: позитрон (К. Андерсон, 1932), мюоны обоих знаков электрич. заряда (К. Андерсон и С. Неддермейер, 1936), и К-мезоны (группа С. Пауэлла, 1947; существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой в 1935). В кон. 40-х — нач. 50-х гг. были обнаружены "странные" частицы. Первые частицы этой группы — К⁺- и К⁻-мезоны, Л-гипероны — были зафиксированы также в космич. лучах.

С нач. 50-х гг. ускорители превратились в осн. инструмент исследования Э. ч. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти--гиперон (1960), а в 1964 — самый тяжелый W-гиперон. В 1960-х гг. на ускорителях обнаружили большое число крайне неустойчивых резонансов. В 1962 выяснилось, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1974 обнаружены массивные (в 3–4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые (по сравнению с обычными резонансами) частицы, которые оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч. — "очарованных", их первые представители открыты в 1976. В 1975 обнаружен тяжелый аналог электрона и мюона --лептон, в 1977 — частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981 — "красивые" частицы. В 1983 открыты самые тяжелые из известных Э. ч. — бозоны (масса80 ГэВ) и Z° (91 ГэВ).

Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, выявлено огромное число разнообразных микрочастиц. Мир Э. ч. оказался сложно устроенным, а их свойства во многих отношениях неожиданными.

^{Лит.: Коккедэ Я., Теория кварков, [пер. с англ.], М., 1971; Марков М. А., О природе материи, М., 1976; Окунь Л.Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990.}