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 же — это час­тицы с полуцелым спином (электрон, мюон, таон, нейтрино, протон, нейтрон и др.).

Время жизни τ. Практически все элементарные частицы, как уже говорилось, 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^-20с, распадаются за счет электромагнитного или слабого взаимодействия. По сравнению с характерным ядерным временем (10^-23 с) время 10^-20 следует считать большим. По этой причине их и называют квазистаби­льными. Стабильными же частицами (τ → ) 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 1/2. К ним относятся электроны, мюоны, таоны и соот-ветствующие 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 многочисленную группу частиц (свыше 400).

Адроны подразделяют на мезоны и барионы.

Мезоны — это адроны с нулевым или целочисленным спи­ном (т. е. бозоны). К ним относятся π-, К- и η-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 ~ 10^-23 с) называют гиперонами. Это гипероны , , и . Все гипероны имеют спин 1/2, за исключением , спин которого 3/2. За время τ ~ 10^-10 ÷ 10^-19 с они распадаются на нуклоны и легкие частицы (π- мезоны, электроны, нейтрино, γ-кванты). Античастицы.

Частицы и античастицы. Существование античастиц явля­ется универсальным свойством элементарных частиц. Каждой частице соответствует своя античастица: например, электрону е^- — позитрон е⁺, протону р⁺ — антипротон р^-, нейтрону п — 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.

Такие же 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, например, фотон γ, π°-мезон и ⁰-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 γ-кванты, например так:

Один γ-квант при этом излучиться не может: в этом случае нарушался бы закон сохранения импульса. позитрона равен нулю.

Существует процесс, обратный аннигиляции, — рождение пар: γ-квант может породить пару е⁺е^-. Для этого необходимо, чтобы энергия γ-кванта была не меньше собственной энергии пары 2m_ес². Этот процесс может происходить только в поле атомного ядра, иначе нарушался бы закон 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 π-мезоны (доля γ-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 следующими двумя обстоятельствами.

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

2.В этой области открытие законов сохранения опережает создание последовательной теории. Многие законы сохранения для элементарных частиц уже установлены из опыта, а соответ­-
ствующие 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 подразделяются на точные и приближенные. Точ­ные законы сохранения выполняются во всех фундаменталь­ных взаимодействиях, а прибли-женные — 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 много-численными экспериментальными фактами, объяснить которые оказалось возможным только при допуще­нии, что существуют заряды неэлектрической природы, кото­рые также сохраняются.

Установлено пять зарядов: электрический Q, барионный В, и три лептонных, L_e, L_μ и L_τ. У всех элементарных частиц эти заряды имеют только целочисленные значения (заряд Q — это число единиц элементарного заряда).

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

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

Барионный заряд, 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, бари-онный 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 р не может превратиться в позитрон е⁺ и фотон γ, 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 γ-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

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

Лептонные заряды. Существуют три вида лептонных заря­дов: электронный L_e (для е и v_e), мюонный L_μ,(для μ и v_μ) и таонный L_τ (для τ и v_τ). Здесь v_e, v_μ, v_τ — электронное, мюонное и таонное нейтрино. Из эксперимента следует, что это разные нейтрино.

С помощью лептонных зарядов легко интерпретируется уста­новленный эксперименталь-но 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

вместе с электроном рождалось электронное антинейтрино, так как суммарный лептонный заряд этих двух частиц равен нулю. Законом сохранения лептонного заряда объясняется невоз­можность следующих процессов:

хотя другими законами сохранения они разрешены. Процессы же

удовлетворяющие закону сохранения лептонного заряда, на­блюдали экспериментально.

Эти два примера показывают, что нейтрино (как электрон­ное, так и мюонное) не тождественны своим античастицам. По­сле того, как было установлено, что v_e и v_μ — разные частицы, и были введены разные лептонные заряды L_e и L_μ, Аналогично обстояло дело и с введением таонного лептонного заряда L_τ.

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:

причем °-гиперон появляется только совместно с K⁺- мезоном или с ⁺ -гипероном, но никогда не появляется вместе с К^--мезоном или ^--гипероном.

Гипероны и K -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 °, и К^- имеют странность S = -1, частицы — S = -2 и ^--гиперон — S = -3. У соответст­вующих античастиц странность оди-накова по модулю, но про­тивоположна по знаку.

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

Представим сведения о барионных зарядах В и странности S адронов в таблице. Для соответствующих античастиц В и S имеют противоположные знаки.

Таблица

В реакции

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 С и b присущи немногим, причем экзотическим, частицам (D - и F -мезоны, _с-, _b-барионы), мы этим и ограничимся.

Кварковая модель адронов

Кварки. Большое разнообразие адронов заставило усомнить­ся в их «элементарности» и побудило к поиску более фундамен­тальных, первичных частиц, из которых они могли бы быть по­строены. В настоящее время внутренняя структура не обнару­жена только у фотона и лептонов. А составной характер адронов уже доказан (теоретически и подтвержден экспериментально).

Первоначально гипотеза о том, что все адроны построены из частиц, названных кварками, была выдвинута Гелл-Манном и Цвейгом в 1964 г. На основе кварковой гипотезы была не толь­ко понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых. Ниже кварковая модель адронов будет представлена в своем современном виде.

К настоящему времени установлено существование пяти ти­пов (или ароматов) кварков: u, d, s, с, b. Все кварки имеют спин 1/2 и барионный заряд В = 1/3. Остальные свойства этих частиц приведены в таблице.

Таким образом, кварки разительно отличаются от всех изве­стных до сих пор частиц дробностью своих зарядов Q и В.

Кварк s является носителем странности, с — шарма (очаро­вания), b — красоты.

Соответствующие антикварки отличаются от кварков знака­ми зарядов Q, В, S, С и b.

Каждый мезон является парой кварк—антикварк, а каждый барион состоит из трех кварков. Действительно, только кварк-антикварк имеет В = 0 и только три кварка образуют частицу с полуцелым спином и барионным зарядом В = 1. В таблице приведен кварковый состав не­которых адронов, спин которых указан в скобках. «Ориента­ция» спинов кварков и антикварков здесь показаны условно стрелками.

Таблица

Из таблицы видно, что ^- -гиперон состоит из трех s -кварков с параллельными спинами (подобная ситуация имеет место и в случае некоторых других адронов). Это оказывается несовмес­тимым с принципом Паули, который запрещает одинаковым частицам с полуцелым спином находиться в одном и том же со­стоянии.

Чтобы устранить это противоречие, было выдвинуто предпо­ложение о наличии у кварков некой внутренней степени свобо­ды, из-за которой кварки одного типа (аромата) могут отлича­ться друг от друга. Эту степень свободы назвали цветом.

Каждый тип (аромат) кварка характеризуют тремя цветами: красный, зеленый и голубой. Их смесь бесцветна. Цвет каждо­го антикварка считается дополнительным цвету кварка, так что пара кварк-антикварк также бесцветна.

Противоречие с принципом Паули было устранено с помо­щью принципа бесцветности адронов. Этот принцип разреша­ет возможными только те сочетания кварков разных цветов, смесь которых бесцветна.

Антикваркам присвоили антицвета, каждый из которых является дополнительным к своему цвету, так что комбинации цвет—антицвет считаются бесцветными.

По современным представлениям сильные взаимодействия осуществляются путем обмена между кварками безмассовыми частицами — глюонами. Глюоны являются квантами поля, ко­торое кварки создают и которое на них же и воздействует. Кро­ме того, они еще являются и переносчиками цвета. Поэтому при испускании и поглощении глюонов цвет кварков изменяет­ся, но их аромат при этом сохраняется. Например, u- кварк не превращается в s -кварк.

Таким образом, согласно модели цветных кварков, послед­ние, не нарушая бесцветности адронов, беспрестанно изменяют в них свою окраску.

Успешная классификация адронов на основе кварковой мо­дели — это веский аргумент в ее пользу. То же следует сказать об опытах по прямому просвечиванию нуклонов и других ад­ронов электронами высоких энергий. Анализ полученных резу­льтатов привел к заключению, что внутри адронов электроны рассеиваютоя на точечных частицах с электрическими заряда­ми +2/3 и —1/3, причем эти частицы (кварки) ведут себя как бесструктурные точечные элементы. Необычное поведение кварков. Многочисленные поиски сво­бодных кварков оказались безуспешными. По-видимому, в сво­бодном состоянии кварки не существуют, и это свидетельствует о необычных свойствах сил взаимодействия между кварками. А именно, согласно одной из гипотез сила взаимодействия меж­ду кварками не убывает с увеличением расстояния между ними, чем кварки резко отличаются от всех других частиц. Поэтому при неубывающей с расстоянием силе, связывающей кварки в адроне, нужно затратить неограниченно большую энергию, что­бы вырвать кварк из адрона. Такое поведение кварков обуслов­лено тем, что все глюоны, которые кварки испускают, сосредо­тачиваются только вблизи прямой, проходящей через кварки, образуя узкую трубку глюонного поля. Так как при этом глюонное поле «не рассеивается» в окружающем пространстве, то глюоны также не вылетают из адронов, и поэтому их также не­возможно зарегистрировать.

Кварк, получивший энергию в результате столкновения с электроном, не вылетает наружу из адрона, а затрачивает ее на образование кварк-антикварковых пар, т. е. на образование но­вых адронов, в основном мезонов.

Не исключена и другая причина ненаблюдаемости кварков в свободном состоянии — возможно их очень большие массы. Это значит, что их энергия связи в адронах весьма велика и оказы­вается недоступной для современных ускорителей.

Все это следует рассматривать пока только как предположе­ния, и не более. Проблема ждет своего разрешения.

В любом случае в настоящее время считают, что истинно элементарными или фундаментальными частицами являются фотон, лептоны и кварки.