Классификация элементарных частиц

Хотя число известных в настоящее время элементарных частиц огромно, об этом уже упоминалось ранее, наблюдается более или менее стройная система их классификации. Для ее пояснения в табл. 3 представлены основные характеристики элементарных частиц.

Характеристики античастиц не приводятся, так как, в силу принципа зарядового сопряжения, частицы и античастицы имеют одинаковые массы, одинаковые времена жизни в вакууме, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку, электрические заряды, а также одинаковые остальные квантовые числа, приписываемые элементарным частицам.

Элементарные частицы объединены в три группы: фотоны, лептоны и адроны. Как уже указывалось ранее, элементарные частицы делятся на группы и подгруппы в зависимости от типа фундаментальных взаимодействий, в которых эти частицы участвуют. Естественно, что отнесенные к каждой из этих групп элементарные частицы обладают общими свойствами и характеристиками, которые отличают их от частиц другой группы.

Из табл. 3 следует, что фотоны — кванты электромагнитного излучения вынесены в особую группу. Как уже указывалось, фотоны имеют нулевую массу, распространяются со скоростью света и являются частицами-переносчиками электромагнитного взаимодействия.

У фотона отсутствует античастица, поскольку фотон является истинно нейтральной частицей. Каждая из истинно нейтральных частиц тождественна со своей античастицей. Фотон относится к бозонам, так как его спин равен 1. В результате нулевой массы фотон распространяется со скоростью света и потому радиус электромагнитного взаимодействия равен бесконечности. Нулевая масса фотона также оставляет возможным лишь два спиновых состояния: со спином, параллельным и антипараллельным движению фотона, а потому электромагнитная волна является поперечной. Изоспин фотону не приписывается, а лептонный и барионный заряды равны 0.

Вторая группа частиц — лептоны. В группу лептонов также входят мюоны (отрицательный μ^- и положительный μ⁺), заряд мюона равен элементарному заряду е. Мюоны претерпевают самопроизвольный распад, являясь нестабильными частицами. Распад мюонов происходит по следующим схемам:

,

.

Из этих систем распада следует, что спины мюонов, как и электрона, должны быть равны 1/2 (в единицах ħ), так как спины нейтрино (1/2) и антинейтрино (- 1/2) взаимно компенсируются. Эксперименты также показали, что мюоны не взаимодействуют или весьма слабо взаимодействуют с атомными ядрами, т.е. являются ядерно-неактивными частицами.

Покажем, что нейтрино и антинейтрино — различные частицы и действительно существует три типа нейтрино v_e, v_μ и v_τ. У нейтрино отсутствуют электрический заряд и масса, они обладают малой ионизирующей способностью и огромной проникающей способностью. Поэтому эксперименты с нейтрино достаточно сложны и трудоемки.

С помощью мощных потоков антинейтрино, получаемых в реакторах [осколки деления тяжелых ядер испытывают β -распад и, согласно (4), испускают антинейтрино], была надежно зафиксирована реакция захвата электронного антинейтрино протоном:

. (5)

Доказано также существование реакции захвата электронного нейтрино нейтроном:

. (6)

Реакции (5) и (6) явились, с одной стороны, бесспорным доказательством того, что и — реальные частицы, а не фиктивные понятия, введенные лишь для объяснения β -распада, а с другой — подтвердили вывод о том, что и — различные частицы.

В дальнейшем опыты по рождению и поглощению мюонных нейтрино также показали, что и — различные частицы. Осуществляя реакцию захвата мюонного нейтрино, оказалось, что реакция (6) не идет, а захват происходит по схеме

,

т. е. вместо электронов в реакции рождались -мюоны. Это и подтверждало различие между v_e и v_μ.

Если принять, что масса нейтрино равна нулю (в этом появились серьезные сомнения), то нейтрино и антинейтрино должны отличаться еще одной характеристикой, называемой спиральностью — проекцией спина частицы на направление ее движения (на импульс). Нейтрино обладает, по современным представлениям, левой спиральностью (направления и образуют левый винт), а антинейтрино — правой спиральностью (направления и образуют правый винт). Это свойство справедливо в равной мере как для электронного, так и мюонного нейтрино (антинейтрино).

Третья группа частиц — адроны. Как следует из табл. 3, к группе мезонов относятся пи-мезоны, ка-мезоны и эта-мезон (он является истинно-нейтральной частицей: у него отсутствует античастица; он распадается с образованием π -мезонов и γ -квантов), а к группе барионов — протон, нейтрон и гипероны.

Мезоны бывают положительные (π⁺), отрицательные (π ^-) (их заряд равен элементарному заряду е) и нейтральные (π °). Все пионы нестабильны: время жизни соответственно для заряженных и нейтрального π -мезонов 2,6 • 10^-8 и 0,8 • 10^-16 с.

Распад заряженных пионов происходит в основном по схемам:

, (7)

, (8)

а нейтральный пион распадается на два γ -кванта:

Спин π° -мезона, как и спин -мезонов, равен нулю.

Исследования в космических лучах (1949) и изучение реакций с участием частиц высоких энергий, полученных на ускорителях, привели к открытию К-мезонов, или каонов, частиц с нулевым спином. В настоящее время известно четыре типа каонов (см. табл. 3) Распад заряженных K -мезонов происходит преимущественно по схемам:

; ,

; ,

; .

Как уже указывалось, в группу барионов входят нуклоны — протон и нейтрон, а также гипероны — тяжелые нестабильные элементарные частицы с массой, большей массы нуклонов. Известно несколько групп гиперонов: лабмда, сигма, кси, омега (см. табл. 3). Гипероны имеют спин 1/2 (только спин -гиперона равен 3/2), они распадаются на нуклоны и легкие частицы ( -мезоны, электроны, нейтрино и -кванты).

Исследование рождения и превращения гиперонов привело к введению новой квантовой характеристики элементарных частиц — странности (S), позволяющей объяснить особенности поведения гиперонов и мезонов. В процессах сильного и электромагнитного взаимодействий странность сохраняется: в этом заключается закон сохранения странности.

Опытным путем установлено, что с ° - гипероном всегда рождается К °-мезон (). Если приписать каонам S = 1, а - и -гиперонам S = -1 и считать, что у нуклонов и -мезонов S = 0, то сохранение суммарной странности частиц в сильном взаимодействии объясняет совместное рождение -гиперона с К °-мезоном.

Из закона сохранения странности следовало существование частиц, таких, как -мезон, -, -гипероны, которые впоследствии были обнаружены экспериментально. Каждый гиперон имеет свою античастицу.

Элементарным частицам приписывают еще одну квантово-механическую характеристику — четность (Р), характеризующую симметрию волновой функции элементарной частицы (или системы элементарных частиц) относительно зеркального отражения. Если при зеркальном отражении волновая функция частицы не меняет знака, то четность частицы Р = + 1 (четность положительная), если меняет знак, то четность частицы Р = - 1 (отрицательная).

Таблица 4.

В процессах сильного и электромагнитного взаимодействий четность сохраняется: в этом заключается закон сохранения четности.

Таблица 4 демонстрирует, какие законы сохранения выполняются в сильном, электромагнитном и слабом взаимодействиях.

Кварки

При исследовании и классификации адронов возникла ситуация, уже имевшая место в науке при систематизации химических элементов в Периодическую систему Д.И. Менделеева. Расположив химические элементы в порядке возрастания их атомного веса и сгруппировав элементы с аналогичными свойствами в группы и периоды, Менделеев предсказал существование не только новых элементов (в таблице для них были оставлены незаполненные клетки), но и их свойства. Аналогично, объединение адронов в изомультиплеты (адроны с одинаковыми спином и барионным числом) позволило предсказать существование новых адронов по заранее предсказанным свойствам.

Увеличение числа элементарных частиц происходит в основном за счет увеличения группы адронов. Поэтому развитие работ по их классификации все время сопровождалось поисками новых более фундаментальных частиц, которые могли бы служить «строительным модулем» всех адронов.

Гипотеза о существовании таких частиц, названных кварками, была высказана независимо друг от друга Дж. Цвейгом и М. Гелл-Маном (1964). Согласно этой гипотезе и современному мировоззрению, адроны являются составными частицами. На это указывают следующие обстоятельства:

1.) обнаружено большое число адронов (несколько сотен);

2.) адроны не являются истинно элементарными частицами (для них обнаружена внутренняя структура);

3.) большинство адронов являются резонансами (нестабильными частицами).

В настоящее время практически доказано, что все адроны (мезоны, барионы, резонансы) состоят из кварков — фундаментальных частиц, у которых имеются и античастицы — антикварки.

Спин кварков равен 1/2 (в единицах ħ), поскольку только из фермионов можно «сконструировать» как фермионы (нечетное число фермионов), так и бозоны (четное число фермионов). Кваркам приписывают дробные электрические и барионные заряды. Соответствующие антикварки имеют противоположные знаки всех зарядов. Самое удивительное (почти невероятное) свойство кварков связано с их электрическим зарядом, поскольку еще никто не наблюдал частицы с дробным значением элементарного электрического заряда.

Согласно модели Гелл-Мана—Цвейга, все известные в то время адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков (, d, s) и соответствующих им антикварков (, , ), если им приписать характеристики, указанные в табл. 5.

Таблица 5.

Кварк	Символ кварка (антикварка)	Электрический заряд (е)	Барионное число, В	Спин [ ħ ]	Странность, S
Верхний (up)				½
Нижний (down)				½
Странный (strange)				½	-1(+1)
Очарованный (charm)				½	-1(+1)
Прелестный (beauty)				½
Истинный (truth)				½

Согласно кварковой модели, все барионы (В = 1) состоят из трех кварков, а мезоны (В = 0) — из пары кварк — антикварк. «Конструкции» некоторых мезонов и барионов из кварков представлены в табл. 6.

Впоследствии был установлен принцип кварк-лептонной симметрии, согласно которому каждому кварку должен соответствовать лептон и наоборот. Как уже указывалось, Гелл-Ман и Цвейг ввели три кварка (u, d, s), а в то время уже было известно о четырех лептонах (e ^-, v_e, μ^-, v_μ). Поэтому пришлось постулировать существование еще одного кварка — очарованного (с) (см. табл. 5), а вместе с ним и семейства «очарованных» частиц, состоящих из этих кварков. Как оказалось, эти частицы действительно существуют [например, был открыт джей-пси-мезон (1974) массой около 6000 m_e, со временем жизни примерно 10^-20 с. и спином, равным единице] и их обнаружение заставило всех поверить в кварковую модель.

После открытия тау-лептона и таонного нейтрино, в силу кварк-лептонной симметрии, пришлось постулировать существование еще двух новых кварков: прелестного (b) и истинного (t) (см. табл. 5), а вместе с ними «прелестных» и «истинных» частиц, состоящих из этих кварков.

Таблица 6.

Мезоны	Барионы
Каждый мезон строится из одного кварка и одного антикварка	Каждый барион строится из трех кварков
Частица	Состав	Частица	Состав
π+
π-
K+
K-
K0

Если об открытии прелестного кварка можно говорить с долей определенности [открыт сверхтяжелый мезон (1977) массой около 20000 m_e, который представляет собой структуру из кварка и антикварка b -типа], то данные об открытии истинного кварка (1984) не являются однозначными. Следует вообще подчеркнуть, что несмотря на многолетние попытки, пока ни один из кварков не был зарегистрирован в свободном виде. В настоящее время считают, что кварки не могут находиться в свободном состоянии, а могут быть «заперты» только внутри адронов.

Помимо того, что не удалось обнаружить кварки в свободном состоянии, кварковая модель столкнулась еще с одной большой трудностью: она противоречила принципу Паули. Кварки являются фермионами, поэтому должны подчиняться принципу Паули, согласно которому два фермиона с одинаковым набором квантовых чисел не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. Однако некоторые барионы невозможно «сконструировать», не нарушив этого основного принцыпа квантовой механики. Например, -гиперон состоит из трех одинаковых кварков: .

Выход из этой ситуации был найден путем того, что кваркам приписывают специфическую квантовую характеристику — цвет. Согласно этим представлениям, каждый кварк может находиться в одном из трех «цветовых состояний»: красном, желтом или синем. Антикварки могут иметь один из трех «антицветов», которые рассматриваются как дополнительные к основным цветам.

Следует отметить, что название «цвет» условно и никакого отношения к оптическим цветам не имеет. Однако принятая терминология очень удобна при описании адронов и достаточно наглядна. Таким образом, если кварки имеют неодинаковую «окраску», то принцип Паули не нарушается и -гиперон можно рассматривать состоящим из трех -кварков.

В настоящее время лептоны и кварки считают фундаментальными частицами и, как уже указывалось выше, согласно принципу кварк-лептонной симметрии, существует шесть лептонов и шесть кварков (каждому кварку отвечает лептон).

Однако появляются новые гипотезы о существовании «самых простейших» частиц, из которых могут состоять кварки и глюоны. Это возможно, если наука пойдет путем «великого объединения» трех типов фундаментальных взаимодействий: электромагнитного, слабого и сильного (начало этим работам положено в середине 1950-х гг. работами пакистанского физика А. Салама).