Элементарные частицы. Античастицы.Кварки.

Частицы, которым на современном уровне развития физики нельзя приписать внутреннюю структуру, то есть представить как объёдинение других частиц, и которые ведут себя как единое целое, называют элементарными.

Элементарные частицы классифицируют по следующим признакам: массе частицы, электрическому заряду, типу физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, времени жизни частиц, спину и др.

В зависимости от массы покоя частицы (масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, считающегося самой легкой из всех частиц, имеющих массу) выделяют:

♦ фотоны (греч. photos – частицы, которые не имеют массы покоя и движутся со скоростью света);

♦ лептоны (греч. leptos – легкий) – легкие частицы (электрон и нейтрино);

♦ мезоны (греч. mesos – средний) – К ним относятся мезоны: пионы (π⁺, π^-и π⁰- мезоны), каоны (К⁺, К^-и К⁰- мезоны), таоны (τ⁺и τ^--мезоны) и др.

♦ барионы (греч. barys – тяжелый) – К ним относятся протон и антипротон, нейтрон и антинейтрон, лямбда, сигма, кси и омега – гипероны и др. -  Общее название средних и тяжелых частиц – адроны. Помимо названных существует большое число частиц, называемыхрезонансами (резонами).

В зависимости от электрического заряда выделяют:

♦ частицы с отрицательным зарядом (например, электроны);

♦ частицы с положительным зарядом (например, протон, позитроны);

♦ частицы с нулевым зарядом (например, нейтрино).

Существуют частицы с дробным зарядом – кварки. С учетом типа фундаментального взаимодействия, в котором участвуют частицы, среди них выделяют:

♦ адроны (греч. adros – крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;

♦ лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;

♦ частицы – переносчики взаимодействий (фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия; гравитоны – переносчики гравитационного взаимодействия; глюоны – переносчики сильного взаимодействия; промежуточные векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия).

По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни – 10¹⁰10²⁴с. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10¹⁰с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет 10²⁴10²⁶с.

По значениям спина.

Частицы с полуцелым спином. К ним относятся лептоны и барионы (p, ,n,и гипероны ).

Частицы с нулевым спином. К ним относятся мезоны.

Частицы с целым спином. К ним относится одна частица – фотон.

Элементарные частицы самопроизвольно (нестабильные) либо при взаимодействии (стабильные) могут испытывать взаимопревращения. Так, например, нестабильные частицы μ и π – мезоны могут распадаться на другие частицы по схеме

μ ⁺→ е⁺+ ν_е+μ ^-→++

π⁺→ μ ⁺+ π^-→ μ ^-+ π⁰→ γ + γ.

Стабильные частицы, обладая достаточной энергией, при соударениях также могут претерпевать взаимопревращения. Например

е^-+ е^-→ е^-+ е^-+ е^-+ е⁺γ + е^-→ е^-+ е^-+ е⁺ е^-+е⁺→ γ+ γ+ γ

Так при аннигиляции электрона и позитрона может образоваться 2 или 3 гамма – кванта. При таких взаимопревращениях соблюдаются законы сохранения энергии, импульса, заряда и др.

Типы взаимодействия элементарных частиц

По современным представлениям в природе осуществляется четыре типа фундаментальных взаимодействий между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

1. Сильное или ядерное взаимодействие обусловливает связь нуклонов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований. Этими взаимодействиями обусловлены ядерные силы между нуклонами.
2. Электромагнитное взаимодействие характеризует процессы, обусловленные наличием у частиц электрического заряда, а следовательно их взаимодействия с электромагнитными полями. Оно, в частности, обеспечивает существование атомов и молекул за счет взаимодействия в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.
3. Слабое взаимодействие – наиболее медленное из всех, протекающих в микромире. Оно характеризует взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино (например β - распад, μ - распад).
4. Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам. Однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало по сравнению с тремя другими и поэтому несущественно в процессах микромира.

Интенсивность взаимодействий принято характеризовать безразмерной константой взаимодействия, которая по порядку величины имеет следующие значения:

для сильного взаимодействия принимается равной 1, для электромагнитного ≃10^-2, для слабого≃10^-14, для гравитационного≃10^-30.

Интересными свойствами обладают  античастицы. Они имеют многие из тех же признаков, что и их частицы двойники (массу, спин,¹время жизни и т. д.), но отличаются от них знаками электрического заряда или другими характеристиками.

В 1928 г. П. Дирак предсказал существование античастицы электрона – позитрона, который был обнаружен спустя четыре года К. Андерсоном в составе космических лучей. Электрон и позитрон – не единственная пара частицдвойников, все элементарные частицы, кроме нейтральных, имеют свои античастицы. При столкновении частицы и античастицы происходит их аннигиляция (от лат. annihilatio – превращение в ничто) – превращение элементарных частиц и античастиц в другие частицы, число и вид которых определяются законами сохранения. Например, в результате аннигиляции пары электрон– позитрон рождаются фотоны. 

Число обнаруженных элементарных частиц со временем увеличивается. Вместе с тем продолжается поиск фундаментальных частиц, которые могли бы быть составными «кирпичиками» для построения известных частиц. Гипотеза о существовании подобного рода частиц, названных кварками, была высказана в 1964 г. американским физиком М. ГеллМаном (Нобелевская премия 1969 г.).

Кварки   обладают большим количеством характеристик. Одна из отличительных особенностей кварков заключается в том, что они имеют дробные электрические заряды. Кварки могут соединяться друг с другом парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы (протоны и нейтроны). В свободном состоянии кварки не наблюдались. Однако кварковая модель позволила определить квантовые числа многих элементарных частиц.