Классификация элементарных частиц

Характеристики субатомных частиц

Исторически первыми экспериментально обнаруженными элементарными частицами были электрон, протон, а затем нейтрон. Казалось, что этих частиц и фотона (кванта электромагнитного поля) достаточно для построения известных форм вещества - атомов и молекул. Такой подход предусматривал, что вещество состоит из протонов, нейтронов и электронов, а фотоны осуществляют взаимодействие между ними. Однако вскоре выяснилось, что мир устроен значительно сложнее. Было установлено, что каждой частице соответствует своя античастица, отличающаяся от нее только знаком заряда. Для частиц с нулевыми значениями всех зарядов античастица совпадает с частицей (например, фотон). По мере развития экспериментальной ядерной физики до сих частиц добавились еще более 300 частиц.

Характеристиками субатомных частиц есть масса, электрический заряд, спин, время существования частицы магнитный момент, пространственная четность, лептонный заряд, барионный заряд и др.

Когда речь идет о массе частицы, имеют в виду ее массу покоя, поскольку она не зависит от состояния движения. Частица, имеет нулевую массу покоя, движется со скоростью света (фотон). Не существует двух частиц с одинаковыми массами. Электрон - самая легкая частица с ненулевой массой покоя. Протон и нейтрон тяжелее электрона почти в 2000 раз. А самая тяжелая из полученных в ускорителях элементарных частиц (Z-частица) имеет массу в 200 000 раз больше по сравнению с массой электрона.

Электрический заряд меняется в довольно узком диапазоне и всегда кратен фундаментальной единице заряда - заряду электрона (-1). Некоторые частицы (фотон, нейтрино) вовсе не имеют заряда.

Важная характеристика частицы - спин - собственный момент импульса частицы. Так, протон, нейтрон и электрон имеют спин 1/2, а спин фотона равен 1. Известны частицы со спином 0,3 / 2,2. Частица со спином 0 при любом угле поворота выглядит одинаково. Частица со спином 1 приобретает прежний вид после полного оборота на триста шестидесятых. Частица со спином 1/2 приобретает прежний вид после оборота на 720 ° и т.д. Частица со спином 2 приобретает прежнее положение через пол-оборота (сто восьмидесятых). Частиц со спином более 2, возможно, вообще не существует.

В зависимости от спина все частицы делятся на две группы: бозоны - частицы с целыми спинами 0,1 и 2; фермионы - частицы с полуцелыми спинами (1 / 2,3 / 2).

Частицы характеризуются также продолжительностью существования. По этому признаку они делятся на стабильные и нестабильные. Стабильные частицы - это электрон, протон, фотон и нейтрино. Нейтрон стабилен, когда находится в ядре атома, но свободный нейтрон распадается примерно за 15 минут. Все другие известные частицы нестабильны; время их существования колеблется от нескольких микросекунд до 10 21 с.

Большую роль в физике элементарных частиц играют законы сохранения, устанавливающие равенство между, определенными комбинациям]! величин, характеризующих начальное и конечное состояния системы. Арсенал законов сохранения в квантовой физике больше, чем в классической физике. Он пополнился законами сохранения различных четности (пространственной, зарядовой), зарядов (лептонного, барионного и др.), Внутренних симметрий, свойственных тому или иному типу взаимодействий. При этом оказалось, что чем интенсивнее взаимодействие, тем больше ему соответствует законов сохранения, то есть тем больше она симметрична. В квантовой физике законы сохранения всегда являются законами запрета. Но если законы сохранения позволяют какой-то процесс, то он обязательно происходит реально.

Вершиной развития представлений о законах сохранения в квантовой физике является концепция спонтанного нарушения симметрии, то есть существование устойчивых асимметричных решений для некоторых типов задач. В 60-х pp. экспериментально было шдтверджеио так называемое нарушение комбинированной четкости. Иначе говоря, оказалось, что в микромире существуют абсолютные различия между частицами и античастицами, между «правым» и «левым», между прошлым и будущим (стрела времени или необратимость микропроцессов, а не только макропроцессов).

Выделение и познания характеристик отдельных субатомных частиц - важный, но только начальный этап познания их мира. На следующем этапе нужно еще понять, какова роль каждой отдельной частицы, каковы ее функции в структуре материи.

Физики выяснили, что прежде всего свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в сильном взаимодействии. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, образуют особый класс и называются адронами. Частицы, участвующие в слабом взаимодействии и не участвуют в сильной, называются лептонами. Кроме того, существуют частицы - носители взаимодействий.

Рассмотрим свойства этих основных типов частиц.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >