Элементарные частицы Дома: §56, 57

Элементарные частицы, в точном значении этого термина, - это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том. Что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют "истинно элементарные частицы".

Существует множество параметров, по которым можно отличить элементарные частицы друг от друга: Масса. Электрический заряд. Время жизни. Почти все элементарные частицы имеют конечное время жизни по истечении которого они распадаются. Спин. Его можно, весьма приближенно считать как вращательный момент. Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году.

Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

В 1932 г. после открытия нейтрона, казалось, что весь мир можно построить всего лишь из четырёх элементов – света (фотонов), протонов, нейтронов и электронов. Но эта простота оказалась иллюзорной. Для объяснения ядерных сил потребовались пи-мезоны, а для объяснения бета-распада нейтрино. А тут еще открыли позитроны с мюонами, и число известных элементарных частиц с четырех выросло до десяти. В 1950-х гг. было открыто примерно еще столько же. А потом новые частицы посыпались как из рога изобилия, и к настоящему времени их число «близилось к 400! Мир элементарных частиц оказался очень сложным и запутанным. Но разобраться в нем все-таки удалось. И хотя окончательной теории элементарных частиц, объясняющей все многообразие их свойств, ещё не построено, многое уже прояснилось.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, все элементарные частицы обладают гравитационным взаимодействием.

Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей по сравнению с другими процессами интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества, и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем. Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц. Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного. Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы - адроны и лептоны. Адроны (от греч. - большой, сильный) - класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (наряду с электромагнитным и слабым). Лептоны (от греч. - тонкий, легкий) - класс элементарных частиц, не обладающих сильным взаимодействием, участвующих только в электромагнитном и слабом взаимодействии. (Наличие гравитационного взаимодействия у всех элементарных частиц, включая фотон, подразумевается)

Законченная теория адронов, сильного взаимодействия между ними пока отсутствует, однако имеется теория, которая, не являясь ни законченной, ни общепризнанной, позволяет объяснить их основные свойства. Эта теория - квантовая хромодинамика, согласно которой адроны состоят из кварков, а силы между кварками обусловлены обменом глюонами. Все обнаруженные адроны состоят из кварков пяти различных типов ("ароматов"). Кварк каждого "аромата" может находиться в трех "цветовых" состояниях, или обладать тремя различными "цветовыми зарядами"

В современной теории элементарных частиц концепция симметрии законов относительно некоторых преобразований является ведущей. Симметрия рассматривается как фактор, определяющий существование различных групп и семейств элементарных частиц. Сильное взаимодействие симметрично относительно поворотов в особом "изотопическом пространстве". С математической точки зрения изотопическая симметрия отвечает преобразованиям группы унитарной симметрии SU(2). Изотопическая симметрия не является точной симметрией природы, т.к. она нарушается электромагнитным взаимодействием и различием в массах кварков.

Половину всех элементарных частиц составляют античастицы. От соответствующих им частиц они отличаются знаком электрического, барионного и лептонного зарядов, а также некоторых других характеристик. Масса и среднее время жизни у частицы и ее античастицы строго одинаковы. Если у какой-то частицы все заряды равны нулю, то ее называют истинно нейтральной. Истинно нейтральные частицы совпадают со своими античастицами. Таковы, например, фотон и пиноль-мезон. Античастицу обычно обозначают тем же символом, что и соответствующую частицу, но с тильдой наверху. Например, антинейтрон обозначается, антипротон, антинейтрино.

Первая античастица была обнаружена 2 августа 1932 г. американским физиком Карлом Андерсоном. Фотографируя следы, оставляемые космическими лучами в камере Вильсона, он обнаружил трек, принадлежащий частице с массой электрона, но с зарядом +е (а не е, как у электрона).

Позитронно- электронная пара