Элементарные частицы, их виды и свойства

В 1947 также в  космических лучах группой С. Пауэлла были открыты p+ и

p--мезоны с  массой в 274 электронные массы,  играющие важную роль во

взаимодействии  протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц

было предположено Х. Юкавой в 1935.

Конец 40-х - начало 50-х гг. ознаменовались открытием  большой группы частиц с

необычными свойствами, получивших название "странных". Первые частицы этой

группы К+- и  К--мезоны, L-, S+ -, S-

-, X- -гипероны  были открыты в космических  лучах, последующие

открытия странных частиц были сделаны на ускорителях - установках, создающих

интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При  столкновении с веществом

ускоренные протоны  и электроны рождают новые Э. ч., которые и становятся

предметом изучения.

С начала 50-х  гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования

Э. ч. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки

и сотни млрд. электронвольт (Гэв). Стремление к увеличению

энергий частиц обусловлено тем, что высокие  энергии открывают возможность

изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия

сталкивающихся  частиц. Ускорители существенно увеличили  темп получения новых

данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира.

Применение ускорителей  для изучения странных частиц позволило  более детально

изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к

важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых

микропроцессов  при операции зеркального отражения (см. Пространственная

инверсия) - т. н. нарушению пространств. чётности (1956). Ввод в строй

протонных ускорителей  с энергиями в миллиарды эв позволил открыть

тяжёлые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны

(1960). В 1964 был  открыт самый тяжёлый гиперон  W- (с массой около

двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто  большое число

крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными Э. ч.) частиц, получивших

название "резонансов". Массы большинства резонансов превышают  массу протона.

Первый из них D1 (1232) был известен с 1953. Оказалось, что

резонансы составляют основная часть Э. ч.

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; см. Комбинированная инверсия), означающее

необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение  физических процессов

при операции отражения  времени (см. Теорема СРТ).

В 1974 были обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и  в то же время

относительно  устойчивые y-частицы, с временем жизни, необычно большим для

резонансов. Они  оказались тесно связанными с  новым семейством Э. ч. -

"очарованных", первые представители которого (D0, D+, L

с) были открыты  в 1976. В 1975 были получены первые сведения о

существовании тяжёлого аналога электрона и  мюона (тяжёлого лептона t). В 1977

были открыты ?-частицы с массой порядка десятка  протонных масс.

Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено

огромное число  разнообразных микрочастиц материи. Мир Э. ч. оказался достаточно

сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства

обнаруженных  Э. ч. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из

классической  физики, таких, как электрический  заряд, масса, момент количества

движения, потребовалось  ввести много новых специальных характеристик, в

частности для  описания странных Э. ч. - странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман,

1953), "очарованных"  Э. ч. - "очарование" (американские  физики Дж.

Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик  отражают

необычность описываемых  ими свойств Э. ч.

Изучение внутреннего  строения материи и свойств Э. ч. с первых своих шагов

сопровождалось  радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и

представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом,

оказались настолько  отличными от закономерностей классической механики и

электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых

теоретических построений. Такими новыми фундаментальными построениями в теории

явились частная (специальная) и общая теория относительности (А. Эйнштейн, 1905

и 1916; см. Относительности  теория, Тяготение) и квантовая механика (1924-27;

Н. Бор, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, М. Борн). Теория

относительности и квантовая механика знаменовали  собой подлинную революцию в

науке о природе  и заложили основы для описания явлений  микромира. Однако для

описания процессов, происходящих с Э. ч., квантовой механики оказалось

недостаточно. Понадобился  следующий шаг - квантование классических полей (т. н.

квантование вторичное) и разработка квантовой теории поля. Важнейшими этапами

на пути её развития были: формулировка квантовой электродинамики (П. Дирак,

1929), квантовой  теории b-распада (Э. Ферми, 1934), положившей  начало

современной теории слабых взаимодействий, квантовой мезодинамики (Юкава, 1935).

Непосредственной  предшественницей последней была т. н. b-теория ядерных сил (И.

Е. Тамм, Д. Д. Иваненко, 1934; см. Сильные взаимодействия). Этот период

завершился созданием  последовательного вычислительного  аппарата квантовой

электродинамики (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер; 1944-49), основанного на

использовании техники перенормировки (см. Квантовая  теория поля). Эта техника

была обобщена впоследствии применительно к другим вариантам квантовой теории

поля.

     Квантовая теория поля продолжает развиваться и совершенствоваться и является

основой для  описания взаимодействий Э. ч. У этой теории имеется ряд

существенных  успехов, и всё же она ещё очень  далека от завершённости и не может

претендовать  на роль всеобъемлющей теории Э. ч. Происхождение многих свойств Э.

ч. и природа  присущих им взаимодействий в значительной мере остаются неясными.

Возможно, понадобится  ещё не одна перестройка всех представлений  и гораздо

более глубокое понимание взаимосвязи свойств  микрочастиц и геометрических

свойств пространства-времени, прежде чем теория Э. ч. будет построена.

   Основные  свойства элементарных частиц. Классы  взаимодействий.  

     Все  Э. ч. являются объектами исключительно  малых масс и размеров. У

большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной

1,6?10-24 г (заметно  меньше лишь масса электрона: 9?10

-28 г). Определённые  из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по

порядку величины равны 10-13 см. Размеры электрона и  мюона

определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10-15 см.

Микроскопические  массы и размеры Э. ч. лежат  в основе квантовой специфики  их

поведения. Характерные  длины волн, которые следует приписать  Э. ч. в квантовой

теории ( , где 

     - постоянная Планка, m - масса частицы,  с - скорость света) по порядку

величин близки к типичным размерам, на которых  осуществляется их взаимодействие

(например, для  p-мезона 

     1,4?10-13 см). Это и приводит к тому, что  квантовые

закономерности  являются определяющими для Э. ч.

     Наиболее  важное квантовое свойство всех Э. ч. - их способность рождаться и

уничтожаться (испускаться  и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. В

этом отношении  они полностью аналогичны фотонам. Э. ч. - это специфические

кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей (см.

ниже). Все процессы с Э. ч. протекают через последовательность актов их

поглощения и  испускания. Только на этой основе можно  понять, например, процесс

рождения p+-мезона при столкновении двух протонов (р + р ® р + n+ p

+) или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших

частиц возникают, например, два g-кванта (е+ +е- ® g +

g). Но и процессы  упругого рассеяния частиц, например  е- +p ® е

- + р, также  связаны с поглощением начальных  частиц и рождением конечных

частиц. Распад нестабильных Э. ч. на более лёгкие частицы, сопровождаемый

выделением энергии, отвечает той же закономерности и  является процессом, в

котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента

не существуют. В этом отношении распад Э. ч. подобен распаду возбуждённого

атома на атом в  основном состоянии и фотон. Примерами  распадов Э. ч. могут

служить:

     ; p+ ® m+ + vm; К+ ® p+

+ p0 (знаком "тильда" над символом частицы здесь  и в дальнейшем

помечены соответствующие  античастицы).

     Различные  процессы с Э. ч. заметно  отличаются по интенсивности  протекания. В

соответствии  с этим взаимодействия Э. ч. можно  феноменологически разделить на

несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все Э. ч.

обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.

     Сильные  взаимодействия выделяются как  взаимодействия, которые порождают

процессы, протекающие  с наибольшей интенсивностью среди  всех остальных

процессов. Они  приводят и к самой сильной  связи Э. ч. Именно сильные

взаимодействия  обусловливают связь протонов и  нейтронов в ядрах атомов и

обеспечивают  исключительную прочность этих образований, лежащую в основе

стабильности  вещества в земных условиях.

     Электромагнитные  взаимодействия характеризуются  как взаимодействия, в основе

которых лежит  связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими,

менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь

Э. ч. заметно  слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности,

ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

     Слабые  взаимодействия, как показывает  само название, вызывают очень  медленно

протекающие процессы с Э. ч. Иллюстрацией их малой интенсивности  может служить