Систематика элементарных частиц

Бозоны и фермионы.Все частицы (включая и неэлементарные и так называемые квазичастицы) подразделяют на бозоны и фермионы. Бозоны – это частицы с нулевым или целочисленным спином (фотон, мезоны и др.). Фермионы – это частицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон и др.).

Время жизни.Практически все элементарные частицы являются нестабильными, распадаясь на другие частицы. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и так называемые резонансы. Резонансами называют частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия с временем жизни ~ 10^-23 с. Нестабильные частицы с временем жизни, превышающим 10^-20 с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. По сравнению с характерным ядерным временем (10^-23 с) время 10^-20 с следует считать большим. По этой причине их и называют квазистабильными. Стабильными частицами (t®¥) являются только фотон, электрон, протон и нейтрино.

Переносчики взаимодействия. Это особая группа элементарных частиц, в которую входят фотоны (переносчики электромагнитного взаимодействия), родственные им W- и Z-бозоны (переносчики слабого взаимодействия), так называемые глюоны (переносчики сильного взаимодействия) и гипотетические гравитоны.

Все остальные частицы подразделяют по характеру взаимодействий, в которых они участвуют на лептоны и адроны.

Лептоны. Это частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях и имеющие спин ½. К ним относятся электроны, мюоны, таоны и соответствующие им нейтрино. Лептоны принимают участие в слабых взаимодействиях. За исключением нейтрино, лептоны участвуют и в электромагнитных взаимодействиях.

Все лептоны можно отнести к истинно элементарным частицам, поскольку у них, в отличие от адронов, не обнаружена внутренняя структура.

Адроны. Так называют элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. Как правило, они участвуют и в электромагнитном, и в слабом взаимодействиях. Эти частицы образуют самую много численную группу частиц (свыше 400). Адроны подразделяют на мезоны и барионы.

Мезоны – это адроны с нулевым или целочисленным спином (т.е. бозоны). К ним относятся p-, K- и h-мезоны, а также множество мезонных резонансов, т.е. мезонов с временем жизни ~ 10^-23 с.

Барионы – это адроны с полуцелым спином (т.е. фермионы) и массами, не меньшими массы протона. К ним относятся нуклоны (протоны и нейтроны), гипероны и множество барионных резонансов. За исключением протона, все барионы нестабильны. Нестабильные барионы с массами, большими массы протона , и большим временем жизни (сравнительно с ядерным временем ~ 10^-23 с) называют гиперонами. Это гипероны L, S, X и W. Все гипероны имеют спин ½, за исключением W, спин которого 3/2. За время t ~ 10^-10 ¸ 10^-19 с они распадаются на нуклоны и легкие частицы (p-мезоны, электроны, нейтрино, g-кванты).

Таблица 9.2. Систематика элементарных частиц (см. также приложение 1).

Античастицы

Частицы и античастицы.Существование античастиц является универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица: например, электрону e^- - позитрон e⁺, протону p⁺ - антипротон p^-, нейтрону – антинейтрон и т.д. Позитрон и антипротон отличаются от электрона и протона прежде всего знаком электрического заряда. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком магнитного момента.

В общем случае античастица отличается от частицы только знаками так называемых зарядов (электрического, барионного, лептонного, странности), с которыми связаны определенные законы сохранения (подробнее в п. 9.4.). Такие характеристики как масса, спин, время жизни у них одинаковы.

В некоторых случаях античастица совпадает со своей частицей, т.е. все свойства частицы и античастицы одинаковы. Такие частицы называют истинно нейтральными. К ним относятся фотон g, p⁰-мезон и h⁰-мезон.

Понятия частицы и античастицы относительны. Электрон считают частицей, а позитрон – античастицей только потому, что во Вселенной преобладают именно электроны, а позитроны - более экзотические частицы. Условившись считать электрон и протон частицами, далее с помощью законов сохранения можно однозначно установить, чем является каждая элементарная частица – частицей или античастицей.

Аннигиляция и рождение пар.При встрече электрона с позитроном происходит их аннигиляция, т.е. превращение их в g-кванты:

e^- + e⁺ ® g + g.

Заметим, что один g-квант при этом излучиться не может, так как в этом случае нарушился бы закон сохранения импульса.

Существует процесс, обратный аннигиляции – рождение пар. Один g-квант может породить пару e^- e⁺. Для этого необходимо, чтобы энергия g-кванта была не меньше собственной энергии пары 2m_ec². Этот процесс может происходить только в поле атомного ядра, иначе нарушился бы закон сохранения импульса. При наличие атомного ядра импульс g-кванта будет восприниматься ядром без нарушения закона сохранения импульса.

Аннигилируют не только электрон с позитроном, но и любая другая частица со своей античастицей. Однако при аннигиляции тяжелых частиц и античастиц возникают преимущественно p-мезоны (доля g-квантов весьма мала). Это обусловлено проявлением различных типов взаимодействий: аннигиляция электрона с позитроном вызывается электромагнитным взаимодействием, тогда как аннигиляция более тяжелых частиц – адронов – сильным взаимодействием.

Законы сохранения

Роль законов сохранения.Законы сохранения играют особо важную роль в физике элементарных частиц. Это обусловлено двумя обстоятельствами.

1. Они не только ограничивают последствия различных взаимодействий, но и определяют также все возможности этих последствий, и поэтому отличаются высокой степенью предсказательности.

2. В этой области открытие законов сохранения опережает создание последовательной теории. Многие законы сохранения для элементарных частиц уже установлены из опыта, а соответствующие фундаментальные законы их поведения еще неизвестны. Поэтому законы сохранения играют здесь главенствующую роль и позволяют анализировать процессы, механизм которых еще не раскрыт.

Для элементарных частиц выполняется гораздо больше законов сохранения, чем для макроскопических процессов. Все эти законы подразделяют на точные и приближенные. Точные законы сохранения выполняются во всех фундаментальных взаимодействиях, а приближенные – только в некоторых.

Точными являются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса. Точными являются и законы сохранения всех зарядов. Происхождение этих законов пока не установлено. Ясно только одно: каждый из этих зарядов характеризует некое внутреннее свойство частицы.

Необходимость введения зарядов (кроме электрического) было продиктовано многочисленными экспериментальными фактами, объяснить которые оказалось возможным только при допущении, что существуют заряды неэлектрической природы, которые также сохраняются.

Установлено пять зарядов: электрический Q, барионный B и три лептонных – L_e, L_m и L_t. У всех элементарных частиц эти заряды имеют только целочисленные значения.

Барионный заряд. Если барионам и антибарионам приписать барионный заряд B такой, что

для антибарионов,

а всем остальным частицам – барионный заряд B = 0, то для всех процессов с участием барионов и антибарионов суммарный барионный заряд будет сохраняться. Это и называют законом сохранения барионного заряда.

Барионный заря, как и все другие заряды, аддитивен: для сложной системы частиц заряд каждого вида равен сумме зарядов того же вида всех частиц системы. Например, барионный заряд ядра атома равен сумме всех барионных зарядов нуклонов данного ядра. Другими словами, барионный заряд ядра равен его массовому числу А.

Согласно закону сохранения барионного заряда частицы с В = +1 или -1 не распадаются только на частицы с В = 0. Например, протон не может превратиться в позитрон и фотон, хотя это не запрещено законами сохранения энергии, импульса, момента и электрического заряда. Запрет на это превращение связан с нарушением закона сохранения барионного заряда В: у протона В = +1, а у позитрона и g-кванта В = 0. Если бы такое превращение было возможно, то это неизбежно привело бы к аннигиляции атомов вещества, так как образовавшиеся позитроны аннигилировали бы с атомными электронами.

Из того же закона следует, что антибарион может рождаться только в паре со своим барионом. Например, антипротон рождается в реакции

p + p ® p + p + p +`p.

Может возникнуть и два антипротона, но тогда появятся и два новых протона.

Лептонные заряды.Существуют три вида лептонных зарядов: электронный L_e,(для e и n_e), мюонный L_m (для m и n_m) и таонный L_t (для t.и n_t). Здесь n_e, n_m, n_t - электронное, мюонное и таонное нейтрино. Из эксперимента следует, что это разные нейтрино.

С помощью лептонных зарядов легко интерпретируется установленный экспериментально закон, согласно которому в замкнутой системе при любых процессах разность между числом лептонов и антилептонов сохраняется (это же относится и к барионам).

Условились считать, что

Для всех остальных элементарных частиц лептонные заряды принимаются равными нулю.

Закон сохранения лептонного заряда требует, чтобы при распаде, например, нейтрона

n ® p + e^- + `n_e (9.2)

вместе с электроном рождалось электронное антинейтрино, так как суммарный лептонный заряд этих двух частиц равен нулю. Тем самым мы уточнили выражение, записанное ранее для распада нейтрона.

Законом сохранения лептонного заряда объясняется невозможность следующих процессов:

n_e + p ¹ e⁺ + n, n_m + p ¹ m⁺ + n, (9.3)

Хотя другими законами сохранения они разрешены.

Этот пример показывает, что нейтрино (как электронное, так и мюонное) не тождественны своим античастицам.

Странность S.Было обнаружено, что гипероны рождаются при столкновениях адронов высоких энергий. Значит их рождение связано с сильным взаимодействием, и время жизни гиперонов должно быть порядка 10^-23 с (время, характерное для процессов, обусловленных сильным взаимодействием). На опыте же было найдено, что их время жизни в 10¹³ раз больше. Такое поведение гиперонов представлялось странным.

Оказалось также, что гипероны в этих процессах рождаются не поодиночке, а только парами. Например, при столкновении протонов:

p + p ® p + L⁰ + K⁺, (9.4)

причем L⁰-гиперон появляется только вместе с К⁺-мезоном или с S⁺-гипероном, но никогда не появляется вместе с К^--мезоном или с S^--гипероном.

Гипероны и К-мезоны назвали странными частицами. После рождения эти частицы медленно и независимо друг от друга распадаются за счет слабого взаимодействия.

Для количественного описания парного рождения и медленного распада странных частиц было введено квантовое число S – странность. Поведение странных частиц можно объяснить, если считать, что частицы L⁰, S и К^- имеют странность S = -1, частицы X - S = -2 и W^--гиперон - S = -3. У соответствующих античастиц странность одинакова по модулю, но противоположна по знаку.

При этом странность в сильных и электромагнитных взаимодействиях сохраняется, а в слабых может меняться на ±1.

Таблица 9.3.Сведения о барионных зарядах В и странности S.

В реакции (9.4) протоны, будучи обычными частицами, странностью не обладают, их S = 0. Таким образом, 0 + 0 ® 0 – 1 + 1, т.е. странность при рождении пары странных частиц сохраняется. Распады же странных частиц на обычные (у которых S = 0) происходит с нарушением закона сохранения странности. Этим нарушением и объясняется медленность распада странных частиц.

Шарм (очарование) С и красота (прелесть) b.Эти квантовые числа являются аналогами квантового числа странности S. Они сохраняются только в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Поскольку квантовые числа C и b присущи немногим, причем экзотическим, частицам (D- и F-мезоны, L_С-, L_b-барионы), то этим и ограничимся.