Классификация элементарных частиц

Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

Лептоны -- фундаментальные частицы, которые не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

Кварки -- дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

Калибровочные бозоны -- частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

· Фотон -- частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

· Восемь глюонов -- частиц, переносящих сильное взаимодействие;

· Три векторных бозона W+, W? и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

· Гравитон -- гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Между частицами существуют четыре типа взаимодействий, каждое из которых переносится своим типом бозонов: фотон, квант света -- электромагнитные взаимодействия, гравитон -- силы тяготения, действующие между любыми телами, имеющими массу. Восемь глюонов переносят сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки. Промежуточные векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц. Считается, что к этим четырем взаимодействиям сводятся все силы в природе. Одним из самых ярких достижений нашего века стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия сливаются в одно.

Адроны и лептоны образуют вещество: Калибровочные бозоны -- это кванты разных видов излучения. Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально. Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи.

Таким образом, мы продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) и применяется термин «фундаментальные частицы».

1.1 Лептоны

Лептоны не имеют цветовых состояний в отличии от кварков, они не участвуют в сильных взаимодействиях. Лептонов тоже 6 типов, они также объединены в 3 семейства. (см. Таблица №1)

1 семейство 2 семейство 3 семейство

Таблица № 1. Классификация лептонов

В отличие от барионов и мезонов, лептоны в настоящее время рассматриваются как элементарные частицы в буквальном смысле слова, не имеющие внутренней структуры, т.е. являются точечными или фундаментальными.

Лептонами называются элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии и имеющие спин 1/2, т. е. являющиеся фермионами. Второй признак исключает из класса лептонов фотон (и гравитон), также не участвующий в сильном взаимодействии.

К лептонам относятся электрон, нейтрино, а также мюон и другие похожие на электрон и нейтрино частицы. Свое название «лептоны» (в переводе с греческого -- «легкие») получили потому, что первоначально к ним относились только электрон и нейтрино -- самые легкие из элементарных частиц. Но впоследствии к лептонам причислили частицы, не уступающие по массе мезонам и даже барионам, поэтому название «лептоны» вряд ли следует признать удачным.

Среди лептонов, так же как и среди частиц других классов, встречаются электрически заряженные частицы, взаимодействующие между собой при помощи электромагнитных сил. Кроме электромагнитного, между лептонами существует ещё одно, слабое, взаимодействие, которое имеется также между лептонами и мезонами, и между лептонами и барионами. Нейтральный лептон -- нейтрино -- не имеет электрического заряда.

Поэтому нейтрино взаимодействует с остальными частицами исключительно посредством слабых сил. По этой причине его очень долго не могли обнаружить экспериментально.

Итак, всего существует шесть типов лептонов: 3 из них обладают электрическим зарядом, а 3 -- нет. Интересно то, что число видов лептонов (шесть) совпадает с числом кварков, если три "лица" одного и того же кварка рассматривать как одну частицу. Такое совпадение, по-видимому, указывает на какую-то глубокую взаимосвязь между лептонами и кварками. Наиболее известным лептоном, как уже говорилось, является электрон (е-). Два других имеющих заряд лептона называются мюоном (µ) и тау-лептоном (таоном) (?). Они отличаются от электрона большей массой. Каждый лептон с электрическим зарядом имеет соответствующее ему нейтрино: электронное (ve), мюонное (vµ) и тау-нейтрино (v?). Другими словами, лептоны разбиты на три семейства, или, как принято теперь говорить, три лептонных дуплета: электрон и электронное нейтрино -- электронный дублет, мюон и мюонное нейтрино -- мюонный дублет, тау-лептон и тау-нейтрино -- таонный дублет.

Лептонный заряд.

Для того чтобы выделить класс лептонов из множества частиц и различить лептоны и антилептоны, прежде всего нейтрино и антинейтрино, была введена новая физическая величина -- лептонный заряд L. По определению, для всех лептонов L= + l, для всех антилептонов L= -- 1, для остальных частиц L = 0. Таким образом, можно сказать, что антинейтрино отличается от нейтрино знаком лептонного заряда, подобно тому, как позитрон и электрон различаются знаками электрического заряда (и лептонного тоже). На первый взгляд может показаться, что такое различие является чисто формальным. Но главное здесь в том, что лептонный заряд, как считается, сохраняется в любом взаимодействии, и пока это предположение подтверждается всей совокупностью опытных данных.

В дальнейшем для каждого лептонного дублета потребовалось ввести свой «заряд»: электронный заряд Le (электронное число) (не путать с электрическим зарядом), мюонный заряд (мюонное число) Lµ и таонный заряд (тау-число) L?. Считается, что во всех взаимодействиях сохраняется не только L, но и каждый его компонент Le, Lµ, L? по отдельности.

Всё это сделано для объяснения того факта, что одни типы лептонных реакций (или реакций с участием лептонов, возможны, т.е. реально протекают, а другие -- нет, не наблюдаются, т.е. число членов (электронное число, мюонное число и тау-число) в каждом семействе остается постоянным в ходе реакций. Но главное, все лептоны и антилептоны, в том числе три типа нейтрино, а также нейтрино и антинейтрино данного типа, различаются характером взаимопревращений. Так, например, из реакций

те, которые записаны слева, разрешены, и все они реально протекают, а те, которые записаны справа, запрещены и ни одна из них не наблюдалась. С помощью первой реакции было впервые экспериментально зарегистрировано (анти)нейтрино (1953--1956). Реакция второго типа слева используется в настоящее время для регистрации солнечных нейтрино.

Изучение процессов (1962), представленных в последней строке, показало отличие мюонных нейтрино от электронных нейтрино. В этих опытах первичный пучок протонов от ускорителя направлялся на мишень и генерировал вторичный пучок ?+ -- мезонов. Они распадались, и образующиеся в значительном количестве нейтрино падали на свою мишень, хорошо защищенную от фона. Если бы мюонное нейтрино было тождественно электронному, участвующему, например, в р--превращениях ядер, то гораздо более вероятным было бы образование в конечном состоянии электронов [реакция слева во второй строке], так как они много легче мюонов. На самом деле ни одного такого процесса не наблюдалось, а все они шли с образованием только мюонов [реакция слева в третьей строке].

Какова масса лептона? Пояснение к массе нейтрино. Электрон -- самый легкий из заряженных лептонов, мюон примерно в 200 раз тяжелее, а у таона масса превышает массу электрона примерно в 3500 раз. Кстати, масса таона почти вдвое больше массы протона. Отсюда ясно, сколь сильно изменился первоначальный смысл слова «лептон». До недавних пор практически никто не сомневался, что у всех нейтрино масса в точности равна нулю (так же, как у фотона). Все прямые опыты по определению значений mv основываются на измерении энергий заряженных частиц, образующихся в процессах того или иного распада вместе с соответствующими нейтрино. С этой точки зрения лучше всего изучено электронное антинейтрино, масса которого определяется путем прецизионных измерений энергетического спектра электронов, образующихся при ?--распаде атомных ядер. Форма этого спектра зависит от mv. По мере совершенствования экспериментальной техники и процедуры обработки результатов измерений верхние границы для масс нейтрино постепенно снижались. Установлено, что масса электронного нейтрино не превышает 10-4me, масса мюонного нейтрино может оказаться уже сопоставимой с массой электрона, а таонное нейтрино в принципе может быть почти в 400 раз тяжелее электрона.

Заметим, что здесь речь идет именно о верхних границах масс нейтрино, и они не исключают равенств mv = 0.

1.2 Кварки

Известно 6 типов (ароматов) кварков. Объединенных в три семейства. (см Таблица №2)

1 семейство 2 семейство 3 семейство

Кварки верхнего ряда (u, c, t) имеют электрический заряд Q = + 2/3e и нижний ряд (d, s, b) имеют электрический заряд Q = -1/3, где е - абсолютная величина заряда электрона.

Таблица № 2. Классификация кварков

Кварки в сегодняшней Вселенной существуют только в связанных состояниях - только в составе адронов. Теория кварков -- это теория строения адронов. Основная идея этой теории очень проста: все адроны построены из более мелких частиц -- кварков. Кварки несут дробный электрический заряд, который составляет либо -1/3, либо +2/3 заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин 1/2, следовательно, относятся к фермионам. Основоположники теории кварков Гелл-Манн и Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта (аромата) кварков: u (от up - верхний), d (от down - нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк -- антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы -- гипероны; наиболее известные барионы -- нейтрон и протон. Более легкие пары кварк -- антикварк образуют частицы, получившие название мезоны. Например, протон состоит из двухu- и одного d-кварка (uud), а нейтрон -- из двух d-кварков и одного u-кварка (udd). Чтобы это «трио» кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий «клей».

Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон «прилипает» к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть энергии тратится на прочное «склеивание» трио кварков, а небольшая -- на скрепление двух трио кварков друг с другом .

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков. Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (пси-частицы, ипсилон-мезон и др.). Этим был нанесен чувствительный удар первому варианту теории кварков, поскольку в том варианте теории уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны. Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов. Они получил название -- charm(очарование) или с; b-кварк (от beauty -- красота или прелесть); впоследствии был введен еще один аромат -- t (от top- верхний).

Кварки участвуют в сильных, слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях. Сильные взаимодействия (обмен глюоном) могут изменять цвет кварка, но не меняют его аромат. Слабые взаимодействия, наоборот, не меняют цвет, но могут менять аромат.

Необычные свойства сильного взаимодействия приводят к тому, что одиночный кварк не может удалиться на какое-либо существенное расстояние от других кварков, а значит, кварки не могут наблюдаться в свободном виде (явление, получившее название конфайнмент).

1.3 Калибровочные бозоны

В таблице приведены взаимодействия, частицы участвующие в различных взаимодействиях, калибровочные бозоны - переносчики взаимодействия, радиус действия, константа взаимодействия, характерное время жизни по отношению к распадам.

Таблица № 3. Фундаментальные взаимодействия

Сильное взаимодействие.

Константа сильного взаимодействия, характеризующая интенсивность этого взаимодействия определяется взаимодействием кварков и переносчиков сильного взаимодействия - глюонов. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии называются адронами. Характерный радиус действия сил, обусловленных сильным взаимодействием ~10-13 см. Частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия имеют характерное время жизни ~10-20-10-23 c, что соответствует характерным ширинам резонансов Г > 10 МэВ.

Электромагнитное взаимодействие.

Константа электромагнитного взаимодействия (?)1/2 = (e2/c)1/2 = (1/137)1/2 (? - постоянная тонкой структуры). Переносчик электромагнитного взаимодейстия - фотон. То обстоятельство, что масса фотона равна нулю определяет бесконечный радиус электромагнитного взаимодействия. Константа электромагнитного взаимодействия определяет вероятность испускания или поглощения фотона частицей с зарядом +е. Характерное время распада частиц в результате электромагнитного взаимодействия > 10-18 c. Например, время жизни ?0-мезона, распадающегося в результате электромагнитного взаимодействия, ~0.8•10-16 c.

Слабое взаимодействие.

Константа слабого взаимодействия ~10-6. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные бозоны W±- и Z-бозоны - массивные частицы (m(W±) = 80 Гэв, m(Z) = 91 Гэв.). Большая масса прмежуточных бозонов обуславливает характерную величину радиуса слабого взаимодействия ~10-16 cм. Частицы, распадающиеся в результате слабого взаимодействия имеют времена жизни >10-12 c. Например заряженные ?-мезоны, распадающегося в результате слабого взаимодействия, имеют время жизни 2.6•10-8 c. Нейтрон - 898 с. Некоторые ядра, распадающиеся в результате слабого взаимодействия, имеют время жизни многие годы. Единственные частицы, которые участвуют только в слабых и гравитационных) взаимодействиях - нейтрино.

Гравитационное взаимодействие.

Сила гравитационного взаимодейстия определяется соотношением

F = Gm1m2/r2

где G = 6,67•10-11 м3кг-1с-2 - гравитационная постоянная.

Радиус действия гравитационного взаимодействия бесконечен. В гравитационном взаимодействии участвуют все частицы. Сравнение гравитационного и электромагнитного взаимодействия двух протонов, находящихся на расстоянии друг от друга ~10-13 см приводит к соотношению

Fграв/Fэл.магн ~10-36.

Заключение

История исследования элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий насчитывает более двух с половиной тысяч лет и восходит к идеям древнегреческих натурфилософов о строении Мира. Однако серьезная научная разработка данного вопроса началась только в конце XIX-го века. Существование элементарных частиц физики обнаружили при изучении ядерных процессов, поэтому вплоть до середины XX века физика элементарных частиц была разделом ядерной физики. В настоящее время физика элементарных частиц и ядерная физика являются близкими, но самостоятельными разделами физики, объединенными общностью многих рассматриваемых проблем и применяемыми методами исследования. Главная задача физики элементарных частиц - это исследование природы, свойств и взаимных превращений элементарных частиц. Представление о том, что мир состоит из фундаментальных частиц, имеет долгую историю. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Нейтрон и антинейтрон отличаются только знаками магнитного момента и так называемого барионного заряда. Возможно существование атомов антивещества, ядра которых состоят из антинуклонов, а оболочка - из позитронов. В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации. Элементарные частицы объединяются в три группы: фотоны, лептоны и адроны.

К группе фотонов относится единственная частица - фотон, которая является носителем электромагнитного взаимодействия.

Следующая группа состоит из легких частиц лептонов. В эту группу входят два сорта нейтрино (электронное и мюонное), электрон и ?-мезон. К лептонам относятся еще ряд частиц.

«Судьбу» нейтрино можно сравнить с «судьбой» электрона. Обе частицы были вначале гипотетическими - электрон был введён, чтобы привести атомную структуру вещества в соответствие с законами электролиза, а нейтрино - для спасения закона сохранения энергии в процессе ?-распада. И только значительно позже они были открыты как реально существующие.

В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов было обнаружено несохранение т. н. комбинированной чётности (введённой Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени.

Все лептоны имеют спин ?. Третью большую группу составляют тяжелые частицы, называемые адронами. Эта группа делится на две подгруппы. Более легкие частицы составляют подгруппу мезонов. Наиболее легкие из них - положительно и отрицательно заряженные, а также нейтральные ?-мезоны с массами порядка 250 электронных масс. Пионы являются квантами ядерного поля, подобно тому, как фотоны являются квантами электромагнитного поля. В эту подгруппу входят также четыре K-мезона и один -мезон. Все мезоны имеют спин, равный нулю. Вторая подгруппа - барионы - включает более тяжелые частицы. Она является наиболее обширной. Самыми легкими из барионов являются нуклоны - протоны и нейтроны. За ними следуют так называемые гипероны. Замыкает таблицу омега-минус-гиперон, открытый в 1964 г. Это тяжелая частица с массой в 3273 электронных масс. Все барионы имеют спин ?. Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц.

атомный элементарный нейтрино мюонный

Список используемой литературы

1. Окунь Л.Б., Лептоны и кварки, М., 1981; Долгов А.Д., Зельдович Я.Б., Космология и элементарные частицы, УФН, 1980, т. 130, в. 4, с. 559-614.

2. В.Акоста, К.Кован, Б.Грэм “Основы современной физики”, М. Просвещение, 1981.

3. И.Розенталь “Элементарные частицы и структура Вселенной”, М. Наука, 1984.

4. К.Мухин “Занимательная ядерная физика”, М. Энергоатомиздат, 1985.

5. Я. Коккедэ. Теория кварков. 1971.

Размещено на Allbest.ur