ЭЛЕМЕНТА́РНЫЕ ЧАСТИ́ЦЫ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
ЭЛЕМЕНТА́РНЫЕ ЧАСТИ́ЦЫ, первичные (неделимые) мельчайшие частицы, из которых состоит вся материя. Исторически к первым Э. ч. относили атомы, пока не была обнаружена их сложная структура: атом состоит из атомного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Открытие структуры атомных ядер, построенных из двух частиц, протонов и нейтронов, собственно и стало рождением физики Э. ч. К Э. ч. стали относить протоны, нейтроны, электроны и позднее нейтрино. Вся наблюдаемая вокруг нас материя состоит из атомов, которые, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов, а нейтрино рождаются в процессе распада нейтрона. Некоторое время спустя было обнаружено, что кроме этих частиц существует ещё много других, которые, однако, имеют очень короткое время жизни и почти мгновенно распадаются. На 2017 известно ок. 150 Э. ч., и число их возрастает.
В то же время в экспериментах на ускорителях было обнаружено, что подавляющее большинство этих частиц не истинно элементарные, а также являются составными. Дальнейшее развитие физики Э. ч. увенчалось созданием стандартной модели, в которой истинно элементарными и бесструктурными считаются 12 частиц (6 кварков и 6 лептонов) и кванты – переносчики трёх фундам. взаимодействий: фотон, калибровочные бозоны W и Z и глюон. Сюда же следует отнести и бозон Хиггса, играющий в стандартной модели важную роль и являющийся и Э. ч. материи, и переносчиком взаимодействия (см. Хиггса бозон).
Согласно совр. представлениям, Э. ч. описываются квантовой теорией. Их классификация основана на понятии квантовых чисел, к которым относятся заряды по отношению к разл. взаимодействиям, спин (собственный угловой момент), чётность по отношению к пространственным отражениям, барионное и лептонное числа и т. д. Все квантовые числа являются сохраняющимися величинами, связанными с группой симметрии. Стандартная модель основана на унитарной группе внутр. симметрии SU(3)×SU(2)×U(1) и пространственной группе Пуанкаре. Частицы также классифицируются согласно тем взаимодействиям, в которых они принимают участие.
Элементарные частицы материи
Элементарные частицы материи разделяются на кварки и лептоны. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях. В сильных взаимодействиях кварки выступают в виде триплетов; соответствующее квантовое число, называемое цветом, принимает 3 значения. В слабых взаимодействиях кварки выступают в виде дублетов; соответствующее квантовое число, называемое слабым изоспином, принимает 2 значения. Электрич. заряд кварков дробный: для u-кварка из изоспинового дублета он равен +2/3, для b-кварка –1/3 в единицах заряда электрона. Кварки имеют спин 1/2 и, следовательно, являются фермионами.
Лептоны участвуют в слабых и электромагнитных взаимодействиях. В слабых взаимодействиях лептоны, как и кварки, выступают в виде дублетов. Электрич. заряд лептонов целый, равный –1 у электрона и 0 у нейтрино. Лептоны также являются фермионами и имеют спин 1/2.
Пока не до конца ясна природа легчайшего лептона – нейтрино. Для нейтрино, электрически нейтральной частицы, возможна ситуация, когда оно является античастицей самому себе. В этом случае его называют майорановским нейтрино. Но если это разные частицы, то тогда нейтрино является дираковской частицей. Неизвестно и абсолютное значение массы нейтрино, известны только разности масс между разл. сортами нейтрино, которые чрезвычайно малы.
Существуют 3 поколения кварков и лептонов (рис.). Частицы разных поколений имеют одинаковые квантовые числа и различаются только массами, каждое следующее поколение тяжелее предыдущего. Спектр масс кварков и лептонов в стандартной модели произвольный и простирается от долей эВ для нейтрино и нескольких МэВ для лёгких кварков до нескольких ГэВ для тяжёлых кварков и лептонов и сотни ГэВ для самой тяжёлой частицы – t-кварка. Спектр масс не предсказывается стандартной моделью и определяется из эксперим. данных. Массы всех кварков и лептонов возникают в результате их взаимодействия с полем Хиггса.
Кварки не наблюдаются в свободном состоянии. Их можно наблюдать только в связанных состояниях, называемых адронами, которые имеют целочисленный электрич. заряд и нейтральны по отношению к квантовому числу «цвет». Лептоны, наоборот, наблюдаются в свободном состоянии и также «бесцветны». В стандартной модели считается, что кварки не могут переходить в лептоны и наоборот, т. к. эти процессы привели бы к несохранению барионного и лептонного зарядов. Эти законы сохранения не следуют из общих принципов симметрии, но надёжно установлены экспериментально. Все кварки имеют барионный заряд, равный 1/3, и лептонный заряд, равный нулю, а лептоны имеют лептонный заряд, равный 1, и нулевой барионный заряд.
Элементарные частицы – переносчики взаимодействий
Согласно квантовой теории, все взаимодействия Э. ч. осуществляются за счёт обмена квантами соответствующих полей. Переносчик сильного взаимодействия – глюон; он является октетом по отношению к цвету и не имеет ни изоспина, ни электрич. заряда. Как и кварк, глюон не наблюдается в свободном состоянии, а заперт внутри адронов. Переносчики слабых взаимодействий – промежуточные векторные W- и Z-бозоны. Они «бесцветны», являются триплетами по отношению к слабому изоспину, W-бозон имеет электрич. заряд ±1, Z-бозон нейтрален. Переносчик электромагнитного взаимодействия – фотон; он «бесцветен», не имеет изоспина и тоже нейтрален. Переносчики всех этих взаимодействий являются бозонами и имеют спин, равный 1. Они не несут ни барионного, ни лептонного заряда.
Последней частицей в этом ряду стоит бозон Хиггса. Он играет двоякую роль в стандартной модели: за счёт взаимодействия с классич. составляющей хиггсовского поля все частицы стандартной модели приобретают массу, а сам хиггсовский бозон является переносчиком ещё одного взаимодействия между кварками и лептонами, интенсивность которого пропорциональна массам частиц. Он участвует также в слабых взаимодействиях и является дублетом по отношению к слабому изоспину. Электрич. заряд бозона Хиггса равен нулю, спин также нулевой.
Некоторые проблемы теории элементарных частиц
Согласно эксперим. данным по распадам Э. ч., а также с учётом данных по температурным флуктуациям микроволнового фонового излучения, число поколений Э. ч. равно трём. Теоретич. объяснения этого факта пока нет. Это означает, что поскольку все перечисленные выше частицы открыты экспериментально, то других, новых Э. ч. не существует. Однако возможно существование иных Э. ч., которые не описываются стандартной моделью и пока не обнаружены, т. к. они либо слишком тяжелы и не могут родиться на ускорителях частиц, либо слишком слабо взаимодействуют с известными частицами и поэтому пока не обнаружены. Примером служат гипотетич. частицы, составляющие тёмную материю, которая проявляется за счёт своего гравитац. поля, но не зарегистрирована пока как индивидуальная частица.
К Э. ч. может быть отнесён также гравитон – квант гравитац. поля, но зарегистрировать его ещё труднее, поскольку в силу исключительной слабости гравитационного взаимодействия требуется средоточие огромных масс для получения сильной гравитации, что возможно лишь в окрестности чёрных дыр.
Кроме частиц, в природе существуют античастицы, составляющие антиматерию. Каждая частица имеет своего партнёра, античастицу, которая имеет те же самые свойства и ту же массу, что и обычная частица, но противоположные знаки всех зарядов. Существование античастиц следует из уравнений релятивистской квантовой теории поля, которая описывает все Э. ч. Ненаблюдаемость античастиц в окружающем нас мире, при том что они всегда рождаются на ускорителях в паре с обычными частицами, объясняется тем, что на ранних стадиях эволюции Вселенной был нарушен баланс между частицами и античастицами. В результате частиц образовалось больше, чем античастиц, произошла их взаимная аннигиляция, и те частицы, которые остались, образуют совр. Вселенную.
Поскольку ни кварки, ни глюоны не наблюдаются в свободном состоянии, об их существовании известно косвенно, из экспериментов по рассеянию протонов и электронов. Эти эксперименты похожи на опыты Резерфорда, в которых было открыто атомное ядро, и демонстрируют, что внутри протонов и др. адронов находятся точечные составляющие, на которых и происходит рассеяние. Таким образом установлено, что адроны – составные частицы, образованные из кварков, а глюоны – «клей», который за счёт сильного взаимодействия не позволяет кваркам разлететься и делает адроны стабильными.
Кварковая модель адронов
Первоначально кварки были предложены для классификации адронов, но после опытов по рассеянию приобрели статус реальных частиц. Адроны, составленные из кварков, делятся на два больших класса: барионы (частицы с полуцелым спином) и мезоны (частицы с целым спином).
Барионы состоят из трёх кварков. Так, напр., протон состоит их двух u-кварков и одного d-кварка, причём цвета кварков составлены так, что протон «бесцветен», а спины разнонаправлены, так что суммарный спин оказывается равным 1/2. Электрич. заряд протона равен сумме зарядов кварков и равен +1. Нейтрон построен аналогичным образом и состоит из двух d-кварков и одного u-кварка. Существуют и барионы со спином 3/2. Все барионы имеют барионный заряд, равный 1. Изначально кварковая модель основывалась на трёх кварках (u, d и s) и все барионы представляли собой разл. комбинации, составленные из этих кварков.
Мезоны состоят из кварка и антикварка и имеют барионный заряд, равный нулю. Так, напр., легчайшие сильновзаимодействующие частицы – π-мезоны – имеют следующий кварковый состав: $π^{+}=u\overline d$, $π^{-}=\overline ud$, $π^0=u\overline u+d\overline d$. Черта над символом кварка обозначает антикварк. Спины кварков разнонаправлены, и полный спин π-мезона равен нулю. Существуют мезоны и со спином 1, когда спины составляющих их кварков однонаправлены.
Для систематизации адронных состояний использовали группу унитарной симметрии SU(3), где число 3 соответствовало числу кварков. Все имеющиеся барионы, составленные из трёх кварков, и мезоны, составленные из кварка и антикварка, прекрасно укладываются в представления этой группы, такие как октет, нонет или декуплет. Если бы частицы из мультиплетов имели одинаковые массы, то симметрия была бы точной. Из-за различия масс кварков она нарушается, однако это не приводит к разрушению мультиплетов, которые содержат все возможные частицы и правильно передают их квантовые числа. Такая классификация частиц на основе кварковой модели получила назв. восьмеричного пути в соответствии с простейшим мультиплетом. Ныне, когда известны 6 кварков, группа симметрии должна быть расширена до группы SU(6) и все имеющиеся адроны должны принадлежать к представлениям этой группы.
Все представленные выше адроны являются «бесцветными» комбинациями цветных кварков, но они не единственно возможны. Допустимы также адроны, составленные из четырёх, пяти и шести кварков и антикварков. Они получили название экзотич. адронов. Их также называют тетра-, пента- и секстакварками в зависимости от числа составляющих их кварков. Получено эксперим. подтверждение их существования. Возможно также существование адрона, образованного исключительно из глюонов. Он получил название глюбола, но пока ещё достоверно не идентифицирован.
Большинство Э. ч. нестабильны и распадаются на более лёгкие, если это не запрещено законами сохранения энергии, электрич., цветного, барионного и лептонного зарядов. Стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные Э. ч. самопроизвольно распадаются за время от ок. 103 с (для свободного нейтрона) до 10–17–10–24 (для адронов). В обобщениях стандартной модели при энергиях, заведомо недоступных ускорителям, возможен и распад протона, однако его время жизни больше 1034 лет, что намного превышает время жизни Вселенной. Эксперим. подтверждения распада протона пока не получено.
