Элементарные частицы, их виды и свойства

тот факт, что  нейтрино, обладающие только слабыми взаимодействиями,

беспрепятственно  пронизывают, например, толщу Земли  и Солнца. Слабые

взаимодействия  обусловливают также медленные  распады т. н. квазистабильных Э.

ч. Времена жизни  этих частиц лежат в диапазоне 10-8-10-10

сек, тогда как типичные времена для сильных взаимодействий Э. ч. составляют 10

-23-10-24 сек.

     Гравитационные  взаимодействия, хорошо известные  по своим макроскопическим

проявлениям, в  случае Э. ч. на характерных расстояниях ~10-13 см

дают чрезвычайно  малые эффекты из-за малости масс Э. ч.

     Силу  различных классов взаимодействий  можно приближённо охарактеризовать

безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант соответствующих

взаимодействий. Для сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных

взаимодействий протонов при средней энергии процесса ~1 Гэв эти параметры

соотносятся как 1:10-2: l0-10:10-38.

Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабых

взаимодействий  безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами

интенсивности различных процессов по-разному  зависят от энергии. Это приводит к

тому, что относительная  роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняется

с ростом энергии  взаимодействующих частиц, так что  разделение взаимодействий на

классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно

осуществляется  при не слишком высоких энергиях. Разные классы взаимодействий

имеют, однако, и  другую специфику, связанную с различными свойствами их

симметрии (см. Симметрия  в физике), которая способствует их разделению и при

более высоких  энергиях. Сохранится ли такое деление  взаимодействий на классы в

пределе самых  больших энергий, пока остаётся неясным.

     В  зависимости от участия в тех  или иных видах взаимодействий  все изученные Э.

ч., за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны (от

греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos - мелкий,

тонкий, лёгкий). Адроны характеризуются прежде всего  тем, что они обладают

сильными взаимодействиями, наряду с электромагнитными и слабыми, тогда как

лептоны участвуют  только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. (Наличие

общих для той  и другой группы гравитационных взаимодействий подразумевается.)

Массы адронов  по порядку величины близки к массе  протона (тр);

минимальную массу среди адронов имеет p-мезон: тp"м 1/7?т

р. Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики (

     0,1 mp), однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность

существования тяжёлых лептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми

исследованными  представителями адронов были протон и нейтрон, лептонов -

электрон. Фотон, обладающий только электромагнитными  взаимодействиями, не может

быть отнесён  ни к адронам, ни к лептонам и должен быть выделен в отд. группу.

По развиваемым  в 70-х гг. представлениям фотон (частица с нулевой массой покоя)

входит в одну группу с очень массивными частицами - т. н. промежуточными

векторными бозонами, ответственными за слабые взаимодействия и пока на опыте не

наблюдавшимися (см. раздел Элементарные частицы и квантовая теория поля).

                Характеристики элементарных частиц.               

     Каждая  Э. ч., наряду со спецификой  присущих ей взаимодействий, описывается

набором дискретных значений определённых физических величин, или своими

характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые

или дробные  числа и некоторый общий множитель - единицу измерения; об этих

числах говорят  как о квантовых числах Э. ч. и  задают только их, опуская единицы

измерения.

     Общими  характеристиками всех Э. ч. являются масса (m), время жизни (t), спин

(J) и электрический  заряд (Q). Пока нет достаточного  понимания того, по какому

закону распределены массы Э. ч. и существует ли для  них какая-то единица

измерения.

     В  зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и

нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных

измерений, являются электрон (t > 5?1021 лет), протон (t

> 2?1030 лет), фотон  и нейтрино. К квазистабильным  относят

частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их

времена жизни > 10-20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000

сек). Резонансами  называются Э. ч., распадающиеся за счёт сильных

взаимодействий. Их характерные времена жизни 10-23-10-24

сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой ? 3 Гэв) за

счёт сильных  взаимодействий оказывается подавленным  и время жизни увеличивается

до значений - ~10-20 сек.

     Спин  Э. ч. является целым или  полуцелым кратным от величины 

     . В этих единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и

электрона J= 1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы  и с более высоким спином.

Величина спина  Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных)

частиц, или их статистику (В. Паули, 1940). Частицы полуцелого спина

подчиняются Ферми - Дирака статистике (отсюда название фермионы), которая

требует антисимметрии  волновой функции системы относительно перестановки пары

частиц (или нечётного  числа пар) и, следовательно, "запрещает" двум частицам

полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии (Паули принцип). Частицы

целого спина  подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике (отсюда название бозоны),

которая требует  симметрии волновой функции относительно перестановок частиц и

допускает нахождение любого числа частиц в одном и том же состоянии.

Статистические  свойства Э. ч. оказываются существенными  в тех случаях, когда

при рождении или  распаде образуется несколько одинаковых частиц. Статистика

Ферми - Дирака играет также исключительно важную роль в структуре ядер и

определяет закономерности заполнения электронами атомных  оболочек, лежащие в

основе периодической  системы элементов Д. И. Менделеева.

     Электрические  заряды изученных Э. ч. являются  целыми кратными от величины  е

"1,6?10-19 к, называются  элементарным электрическим зарядом. У

известных Э. ч. Q = 0, ±1, ±2.

     Помимо  указанных величин Э. ч. дополнительно  характеризуются ещё рядом

квантовых чисел, называются внутренними. Лептоны несут  специфический лептонный

заряд L двух типов: электронный (Le) и мюонный (Lm); L

e = +1 для электрона  и электронного нейтрино, Lm= +1 для

отрицательного  мюона и мюонного нейтрино. Тяжёлый  лептон t; и связанное с ним

нейтрино, по-видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда L

t.

     Для  адронов L = 0, и это ещё одно проявление их отличия от лептонов. В свою

очередь, значительные части адронов следует приписать  особый барионный заряд В

(|Е| = 1). Адроны  с В = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входят протон,

нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 - подгруппу мезонов

(p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп  адронов происходит от

греческих слов barys - тяжёлый и mesos - средний, что на

начальном этапе  исследований Э. ч. отражало сравнительные  величины масс

известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы

барионов и  мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.

     Барионы  и мезоны подразделяются на  уже упоминавшиеся совокупности: обычных

(нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны,

К-мезоны) и очарованных  частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов

особых квантовых  чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с

допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных

частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| ? 0, Ch = 0, для

очарованных частиц |Ch| ? 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто

используется  квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более

фундаментальное значение.

     Уже первые исследования с обычными адронами выявили наличие среди них

семейств частиц, близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению к

сильным взаимодействиям, но с различными значениями электрического заряда.

Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства. Позднее

аналогичные семейства  были обнаружены среди странных и (в 1976) среди

очарованных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие семейства,

является отражением существования у них одинакового  значения специального

квантового числа - изотопического спина I, принимающего, как и обычный спин,

целые и полуцелые  значения. Сами семейства обычно называются изотопическими

мультиплетами. Число частиц в мультиплете (п)связано  с I соотношением: n = 2I +

1. Частицы одного  изотопического мультиплета отличаются друг от друга значением

              "проекции" изотопического спина  I3, и              

     Важной  характеристикой адронов является  также внутренняя чётность Р,

связанная с  операцией пространств, инверсии: Р  принимает значения ±1.

     Для  всех Э. ч. с ненулевыми значениями  хотя бы одного из зарядов  О, L, В, Y

(S) и очарования Ch существуют античастицы с теми  же значениями массы т,

времени жизни t, спина J и для адронов изотопического спина 1, но с

противоположными  знаками всех зарядов и для барионов с противоположным знаком

внутренней чётности Р. Частицы, не имеющие античастиц, называются абсолютно

(истинно) нейтральными. Абсолютно нейтральные адроны  обладают специальным

квантовым числом - зарядовой чётностью (т. е. чётностью по отношению к операции

зарядового сопряжения) С со значениями ±1; примерами таких  частиц могут служить

фотон и p0.

     Квантовые  числа Э. ч. разделяются на  точные (т. е. такие, которые  связаны с

физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах) и неточные (для

которых соответствующие  физические величины в части процессов  не сохраняются).