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.
