Характеристики элементарных частиц и их классификация

Элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. На основании некоторых из них можно дать классификацию элементарных частиц.

Так, одной из важных характеристик частиц является их масса. Причем во внимание берется масса покоя частиц, так как при движении частиц с большими скоростями их масса сильно возрастает. Это заставляло ученых некоторое время ошибочно считать, что они открыли новые частицы. За единицу отсчета берется масса покоя электрона. Он считается самой легкой из всех частиц. В зависимости от массы покоя все частицы можно разделить:

– на частицы, не имеющие массы покоя. Это фотоны, движущиеся со скоростью света;

– лептоны – легкие частицы. К ним относятся электрон и нейтрино;

– мезоны – средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

– барионы – тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона. К ним относятся протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы.

Другой важной характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (–1). Заряд может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Должны существовать также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки.

Время жизни – еще одна характеристика частиц. При этом различают стабильные и нестабильные частицы. К стабильным частицам относятся фотон, электрон, протон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома. Свободный нейтрон распадается в среднем за 15 минут. Все остальные частицы – нестабильные, они существуют 10^-10 – 10^-24 с. Самые короткоживущие частицы называются резонансами. Эти частицы распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Их время жизни – 10^-25 – 10^-26 с. Существование этих частиц вычислено теоретически, в реальных экспериментах они не фиксируются. Разумеется, наиболее важная роль в мире принадлежит стабильным частицам, из которых и состоят все макротела.

По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они подразделяются:

– на лептоны, участвующие в электромагнитном и слабом взаимодействиях;

– адроны, участвующие также и в сильном взаимодействии;

– частицы – переносчики взаимодействий.

Но самой важной характеристикой частиц является спин- собственный момент количества движения (импульса) частицы.

В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения в их непрерывной последовательности, спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом. У одних частиц он имеет целочисленные значения (0, 1, 2), а у других – полуцелые значения (1/2, 3/2). Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 принимает тот же вид после полного оборота на 360°, а частица со спином 2 – после оборота на 180°. Чтобы легче представить себе частицы с различными спинами, можно провести аналогию и сравнить частицу со спином 0 с точкой, со спином 1 – со стрелой, а со спином 2 – со стрелой, заточенной с обеих сторон. Частицы со спином 1/2 принимают тот же вид При повороте на 720°.

Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Исходя из этого значения, можно систематизировать и классифицировать данные обо всех элементарных частицах, разделив их на частицы вещества и частицы полей.

Частицы с полуцелым спином называются фермионами (в честь известного физика Э. Ферми). Это не что иное, как частицы вещества, которые, хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2 – омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона – частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу параметров, не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества слиплись бы и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Частицы с целочисленным спином называются бозонами (в честь индийского физика Ч. Бозе). Бозоны – это кванты полей, которые, хотя и обладают корпускулярными свойствами, в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служат фотоны, спин которых равен 1, и мезоны, спин которых равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 – гравитоны.

Лептоны. Это легкие элементарные частицы, спин которых равен 1/2. Наиболее известен из этой группы электрон – первая открытая элементарная частица. Другой хорошо известный лептон, но уже без электрического заряда, это нейтрино – практически неуловимая частица, обладающая очень высокой проникающей способностью. Нейтрино являются самыми распространенными частицами во Вселенной. Их существование получило экспериментальное подтверждение через тридцать лет после того, как они были предсказаны. Для этого физикам пришлось ждать создания ядерных реакторов, при работе которых испускается огромное количество нейтрино. Только тогда удалось зафиксировать лобовое столкновение одной частицы с ядром и тем самым доказать, что она действительно существует. Согласно некоторым данным, нейтрино обладает крохотной, но не нулевой массой в одну десятитысячную массы электрона. Если это так, то при преобладании нейтрино во Вселенной (их больше протонов и нейтронов в миллиард раз) в будущем наш мир может ждать коллапс, стягивание Вселенной в маленькую точку.

Среди прочих лептонов следует назвать мюон открытый в 1936 г. в продуктах взаимодействия космических лучей. Он оказался одной из первых открытых нестабильных частиц. Во всех других отношениях, кроме стабильности, он напоминает электрон – имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу. Мюоны широко распространены в природе, на их долю приходится значительная часть фонового космического излучения, регистрирующегося на поверхности Земли.

В конце 70-х годов был обнаружен еще один лептон, названный тау-лептоном. Он тяжелее мюона, в остальном же похож на него и на электрон.

В 60-е годы было установлено, что существует несколько видов нейтрино – в паре с каждым заряженным лептоном. Таким образом, есть электронное, мюонное и тау-лептонное нейтрино.

В таком случае, общее число лептонов равно шести. С учетом того, что у каждого лептона есть античастица, общее число этих частиц – 12.

Адроны.Этих частиц известно сотни. Они также являются фермионами. Наиболее известными адронами являются протоны и нейтроны, их еще называют барионами. Остальные частицы этого класса нестабильны и быстро распадаются. Помимо барионов, к адронам также относятся тяжелые частицы – гипероны, мезоны и большое количество резонансов. Исследования 50-х годов показали, что, скорее всего, адроны не являются элементарными частицами, аи построены из более мелких составляющих. Тайна адронов была открыта в 60-е годы, когда была создана кварковая модель адронов.

Частицы – переносчики взаимодействия.Лептоны и адроны, являющиеся фермионами, представляют собой вещество нашего мира. Но есть еще один тип частиц, которые не являются веществом, а обеспечивают только соединение, взаимодействие частиц вещества между собой, не позволяя миру распадаться на части. Эти частицы являются бозонами.

Существует четыре типа фундаментальных физических взаимодействий. У каждого из них – свои частицы-переносчики. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон, гравитационного взаимодействия – гравитон, слабого взаимодействия – три тяжелых векторных бозона, сильного взаимодействия – глюоны.