Загальні відомості про елементарні частинки

Елементарними називають частинки, які у взаємодіях поводять себе як єдине ціле. Це не означає, що елементарна частинка не має внутрішньої будови. Річ у тім, що на сьогодні даний розділ науки не в змозі вивчити будову елементарної частинки. Індивідуальність елементарної частинки зумовлюється тим, що енергія взаємодії її з іншими матеріальними об'єктами значно менша від її власної релятивістської енергії.

Першою елементарною частинкою, яку відкрив Дж.Дж.Томсон у 1897 p., був електрон. У 1919 p. E.Резерфорд виявив частинку, яка входить до складу ядер атомів – протон. У 1932 р. Д.Чедвік відкрив другу складову частинку ядра – нейтрон. У 1905 р. А.Ейнштейн увів у науковий обіг поняття про складову частинку світла – фотон. У 1956 р. вже було відомо 30 елементарних частинок; тепер їх налі­чується понад 350.

Елементарні частинки виступають у двох видах – частинок і ан­тичастинок: одні з них відрізняються знаком електричного заряду, наприклад, електрон і позитрон; інші, електрично-нейтральні, відріз­няються протилежною орієнтацією механічних і магнітних моментів, наприклад, нейтрон і антинейтрон. Є й такі частинки, які тотожні своїм античастинкам, наприклад, фотони, °-мезони, - і- мезони; такі частинки називаютьсправжньонейтральними.

Характерною властивістю частинок і античастинок є їх здатність утворюватися й анігілюватися парами. Анігіляція пари частинок зводиться до перетворення їх в інші частинки або кванти поля з виділенням відповідної енергії. Наприклад, позитрон і електрон, стикаючись, перетворюються в два або більше фотонів за схемою:

;

при взаємодії - фотона з важкими ядрами атомів може народжуватися пара таких самих частинок:

.

Зауважимо, що виняток становлять раніше згадані справжньонейтральні частинки, які не здатні до анігіляції.

В усіх перетвореннях елементарних частинок виконуються закони збереження маси й енергії, імпульсу, моменту імпульсу, електричного заряду тощо.

У найближчому навколишньому світі існує переважаюча концентрація звичних для нас стабільних частинок – електронів, протонів і нейтронів. У вакуумі можуть бути стабільними також античастинки – позитрони, антипротони і антинейтрони. Тому поділ на частинки і античастинки умовний. Сучасна наука допускає можливість існування в галактичних системах антиречовини, що складається з антиатомів; останні є утворенням з антипротонів, антинейтронів і позитронів.

Основними характеристиками всіх елементарних частинок є маса т, час життя , спін s, електричний заряд q.

Усі елементарні частинки мають дуже малі маси і розміри. У більшості з них маса близька до маси протона, в інших – вона значно менша.

Розміри протона, нейтрона, - мезона і подібних до них частинок близько м, електронів і мюонів – ще менші.

За часом життя  елементарні частинки поділяються на стабільні, квазістабільні і нестабільні (резонанси). До стабільних належать електрон (), протон (), фотон і нейтрино;квазістабільними називають частинки, які розпадаються в результаті електромагнітних і слабких взаємодій, їхній час життя ; частинки, які називають резонансами, розпадаються в результаті сильних взаємодій, їхній час життя .

Спіни елементарних частинок визначають цілим або півцілим кратним сталої Планка h. Спіни - і К- мезонів дорівнюють нулю; спіни електрона, протона і нейтрона , фотона .

Електричні заряди елементарних частинок – цілі, кратні елементарному заряду ; вони можуть дорівнюватидеn – натуральне число.

Елементарним частинкам притаманні корпускулярно-хвильові властивості, їхня поведінка описується квантовою механікою; вони додатково наділяються рядом квантових величин, які регламентують процеси їх перетворень і взаємодій. Наприклад, запроектований на основі згаданих вище законів збереження процес перетворення протона:

, (3.2)

якби він був можливим, привів би до анігіляції атомів речовини. Баріонний заряд − квантове число, що характеризує збереження числа баріонів (спільна назва нуклонів та гіперонів). Якщо прийняти, що баріонний заряд усіх баріонів дорівнює , то для антибаріонів він становить, а для решти елементарних частинок дорівнює. Тобтозакон збереження баріонного заряду можна сформулювати так: баріонний заряд будь-якої ізольованої системи є сталою величиною. Звідси слідує, наприклад, процес (3.2), протон не може перетворитися в позитрон і фотон, хоча таке перетворення не суперечить ні законові збереження електричного заряду, ні закону збереження імпульсу, ні іншим відомим законам збереження, але порушує закон збереження баріонного заряду; останній закон зумовлює стабільність найлегшого з баріонів – протона.

Аналогічно для регламентування процесів за участю електронів і споріднених частинок (лептонів і антилептонів) вводиться лептонний заряд. Лептонний заряд характерний для частинок лептонної групи (позитивний та негативний мюони, електрон і позитрон, нейтрино та антинейтрино); для інших частинок лептонний заряд . За цих умов у всіх процесах необхідно керуватися законом збереження лептонного заряду:алгебраїчна сума лептонних зарядів частинок до перетворення дорівнює алгебраїчній сумі лептонних зарядів частинок, що виникли в результаті перетворення. За цим законом, наприклад, легко визначити, що в розпад (3.3) має бути введене антинейтрино:

. (3.3)

Серед різних елементарних частинок, які беруть участь у сильних взаємодіях – їх умовились називати адронами, можна виділити групи таких «подібних» частинок, що мають приблизно рівні маси і однакові квантові характеристики, але різняться електричними зарядами.

Одну з таких груп утворюють нуклони (протон з нейтроном), другу – піони (), третю – сігма-гіперони () і ін. Поряд з цим зарядова незалежність у сильних взаємодіях дає підставу зробити висновок, що в кожній із згаданих зарядових груп ідеться про одну й ту саму частинку, але в різних її станах.

Зарядові групи частинок наділяють певними числами так званого ізотопічного спіну, а розрізняють між собою в групах проекціями ізотопічного спіну І на певний напрям z в уявному просторі спінів; зокрема, для протона , для нейтронатощо. Ці відмінності між частинками пояснюються впливами додаткових взаємодій, наприклад, електромагнітної природи.

У таблиці 3.1 подано найбільш вивчені елементарні частинки і їх квантові числа

Таблиця 3.1

Назва частинки та античастинки	Символ	Маса спокою	Спін ћ		Електричний заряд		Лептонний заряд		Баріонний заряд		Час життя (середній) у секундах
фотон	γ	0	1		0		0		0		стабільний
Лептони
Нейтрино:
електронні		0			0						стабільний
мюонні		0			0						стабільний
електрони:
електрон		1			-1		+1		0		стабільний
позитрон		1			+1		-1		0		стабільний
мюони:
-мезон		207			+1		+1		0
-мезон		207			-1		-1		0
Мезони
піони:
-мезон		273	0		+1		0		0
-мезон		273	0		-1		0		0
-мезон		264	0		0		0		0
каони:
-мезон		966	0		+1		0		0
-мезон			0		-1		0		0
-мезон		975	0		0		0		0
анти--мезон			0		0		0		0
Баріони
нуклони:
протон		1836			+1		0		+1		стабільний
антипротон					-1		0		-1
нейтрон		1839			0		0		+1		1000
антинейтрон					0		0		-1		-активний
гіперони:
лямбда		2182			0	0	0	0	+1	-1
сігма-плюс		2331			+1	-1	0	0	+1	-1
сігма-мінус		2347			-1	+1	0	0	+1	-1
сігма-нуль		2337			0	0	0	0	+1	-1	<
ксі-нуль		2576			0	0	0	0	+1	-1
ксі-мінус		2590			-1	+1	0	0	+1	-1
омега-мінус		3284			-1	+1	0	0	+1	-1

Типи фундаментальних взаємодій

Відомо 4 типи фундаментальних взаємодій (таблиця 3.2):

• сильна (ядерна);

• електромагнітна;

• слабка;

• гравітаційна.

В квантовій теорії ці взаємодії відбуваються наступним чином: дві частинки взаємодіють через третю.

Інтенсивність тієї чи іншої взаємодії характеризують певним безрозмірним параметром , який інакше називають константою взаємодії. Щоб зрозуміти фізичну суть константи взаємодії, розглянемо приклад взаємодії двох електронів, виражену в системі одиниць, які використовують у квантовій електродинаміці. У ній одиницею маси є маса електрона т_е, одиницею довжини – комптонівська довжина хвилі електрона , одиницею енергії – енергія спокою електрона . Щоб визначити в цій системі константу взаємодії двох електронів на відстані один від одного, очевидно, треба вираз енергії в СІ поділити на, дістанемо:

; . (3.4)

Безрозмірна константа  характеризує інтенсивність взаємодії двох електронів, інакше кажучи, визначає інтенсивність зв'язку еле­ктрона з електромагнітним полем, через яке реалізується його взаємодія з іншим електроном.

З виразу (3.4) маса електрона не входить у рівняння, отже, конс­танта взаємодії з електромагнітним полем зберігає зміст для будь-якої елементарної частинки, що має заряд е.

Константа входить у розрахунки розщеплення енергетичних рів­нів атома водню, зумовлене спіном електрона; її називають сталою тонкої структури.

Порівняння констант взаємодій свідчить про відносну інтенсив­ність названих типів взаємодій частинок; охарактеризуємо кожну з них окремо.

Сильна взаємодія відбувається між ядерними частинками (нуклонами) з участю π- мезонів; виявляється між мезонами, нуклонами та гіперонами. Прикладом їх можуть бути вже розглянуті ядерні взаємодії нуклонів, що забезпечуються π- мезонами. Порівняльна константа взаємодії дорівнює 1; радіус їхньої дії має порядок розміру ядра – м; характерний час життя частинок, що розпадаються в результаті взаємодії ~ c.

У земному середовищі при помірних температурах сильні взаємодії особливих процесів не спричинюють, вони лише забезпечують стійкі зв'язки нуклонів у ядрах атомів. На один нуклон енергія зв'язку дорівнює ~ 8 МеВ. Однак при зіткненнях ядер і нуклонів високих енергій сильні взаємодії зумовлюють різноманітні ядерні реакції, серед них з практичного погляду особливої уваги заслуговують реакції термоядерного синтезу – об'єднання чотирьох нуклонів в ядро гелію.

При зіткненнях нуклонів з енергіями в кілька сотень МеВ сильні взаємодії зумовлюють народження π- мезонів, а при ще більших енергіях – утворення масивніших частинок – мезонних і баріонних резонансів.

Електромагнітні взаємодії – забезпечують зв'язки між зарядже­ними частинками; вони реалізуються за допомогою електромагніт­ного поля. Теорією електромагнітної взаємодії є квантова електродинаміка, згідно з якою, заряджені частинки взаємодіють за допомогою віртуальних фотонів, якими обмінюються частинки; величина імпульсу фотона . Константа, що визначає інтенсивність електромагнітної взаємодії, ; радіус взаємодії (необмежений); характерний для неї часпроходження с (оцінюється за співвідношенням невизначеностей Гейзенберга; , де – енергія фотона обміну). Електромагнітні взаємодії забезпечують зв'язки позитивно заря­джених ядер з негативно зарядженими електронами в атомах і моле­кулах речовини; вони зумовлюють сили пружних деформацій, сили тертя і багато інших процесів.

Слабкі взаємодії відповідальні за - розпад ядер, розпад багатьох елементарних частинок, за всі процеси взаємодії нейтрино з речовиною. Переносниками слабкої взаємодії є проміжні векторні бозони , що не існують у вільному стані і виникають лише при взаємодії.

Порівняльна константа слабких взаємодій дорівнює ; радіус дії надто малий – м, тобто значно менший від радіуса сильних взаємодій. Остання властивість слабких взаємодій зумовлює надзвичайну проникну здатність нейтрино, а тому і значний ха­рактерний час процесу, спричиненого слабкою взаємодією близько с; у світі елементарних частинок ці процеси належать до дуже повільних.

Поряд з порівняльними характеристиками слабких взаємодій з іншими взаємодіями треба зауважити дуже важливу роль їх в приро­ді. Без них був би неможливий процес перетворення

,

в результаті якого чотири протони об'єднуються в ядро атома гелію.

У квантовій фізиці цей тип взаємодії відбувається саме таким чином: при розпаді нейтрона випромінюється векторний бозон, що, в свою чергу, розпадається на електрон та антинейтрино:

Цей процес служить джерелом енергії Сонця і більшості зір.

Гравітаційні взаємодії з усіх інших типів фундаментальних взаємодій найслабші. Порівняльну константу цієї взаємодії знахо­дять за виразом:

,

де G – гравітаційна стала; М – маса нуклона, за підрахунками . Гравітаційні взаємодії із збільшенням відстані повільно зменшуються, тому радіус їх дії необмежений. Час реалізації взаємо­дії ~ 10⁸ років. Чим слабші взаємодії, тим довший час потрібний для здійснення зумовленої ними реакції. У фізиці мікрочастинок гравітаційними силами нехтують, хоч цієї взаємодії зазнають усі час­тинки.

Особливість гравітаційних сил у тому, що вони є тільки силами притягання, від яких не можна екрануватися. З цих причин гравіта­ційні взаємодії стають домінуючими у світі астрономічних макротіл.

За сучасними поглядами, гравітаційні взаємодії реалізуються за допомогою гравітаційного поля, зокрема, обміном гравітонами –квантами поля. Останніх, очевидно, через малі імпульси ще експериментально не виявлено.

У таблиці 3.2 подано характеристики різних типів взаємодій між елементарними частинками

Таблиця 3.2

Тип взаємодії	Відносна величина взаємодії	Характерний час взаємодії
сильна	1	10^-23с
електромагнітна	1/137	с
слабка	10^-14	с
гравітаційна

Треба зазначити, що на сьогоднішній день слабка і електромагнітна взаємодії об’єднанні в одну і мають назву електрослабкої взаємодії.

Класифікація елементарних частинок

Елементарні частинки за масою поділяють на чотири класи: фо­тони, лептони, мезони, баріони (таблиця 3.1). Наведемо їх короткі характеристики.

1. Фотони. Частинки цього класу є квантами електромагнітного поля. При поширенні проявляють хвильові властивості, а при взаємодії з речовиною – корпускулярні. Маса спокою фотона дорів­нює нулю, спін – одиниці. Фотони підлягають статистиці Бозе-Ейнштейна (бозони). Це істинно нейтральні частинки, оскільки збі­гаються зі своїми античастинками. Фотон достатньої енергії при взаємодії з важким ядром атома може перетворюватися в пару части­нок електрон-позитрон; можливий і зворотний процес перетворення.

2. Лептони. Легкі частинки, до яких входять електрони, позитрони, мюони, нейтрино і антинейтрино електронного та мюонного походження. Лептони утворюються завжди парами, наприклад, пара електрон і позитрон утворюється при анігіляції гамма-фотона; при розпаді - мезона одержимо пару- мезон і- мезонне нейтрино. Перетворення частинок підлягає закону збереження лептонного заряду.

Лептонам притаманний напівцілий спін s = 1/2, тому на них поширюється принцип Паулі; вони підлягають квантовій статистиці Фермі - Дірака (ферміони). Усі лептони беруть участь у слабких взаємодіях, а заряджені лептони і в електромагнітних взаємодіях.

3. Мезони – нестабільні елементарні частинки з масою, більшою від маси електрона і меншою від маси протона. Бувають мезони нейтральні і ті, які мають заряд. Частинки цього класу - мезони і К- мезони є квантами поля ядерних сил. Вони забезпечують сильну взаємодію між нуклонами в атомних ядрах. Мезони не мають спіну, для них s = 0, тому вони не підлягають принципу Паулі: в будь-якому стані може перебувати довільне число мезонів. Мезони підлягають квантовій статистиці Бозе - Ейнштейна (бозони).

4. Баріони. До цього класу частинок входять нуклони і група ма­сивніших частинок – гіперони. Усі баріони проявляють сильні взаємодії і відповідно активно взаємодіють з атомними ядрами. За винятком протона, усі баріони нестабільні. При розпаді баріону, крім інших частинок, обов'язково утворюється новий баріон. Остання особливість розпаду є наслідком закону збереження баріонного заряду.

Спін усіх баріонів напівцілий (s = 1/2), тому вони підлягають принципу Паулі й квантовій статистиці Фермі - Дірака (ферміони).

Серед сильновзаємодіючих частинок виявлено велике число короткоживучих частинок, так званих резонансів. Час життя їх стано­вить с; деякі з них є бозонами і повинні бути віднесені до класу мезонів, інші резонанси є ферміонами і повинні бути віднесені до класу гіперонів.

Відомо, що спроби класифікувати елементарні частинки привели до визнання кваркової моделі адронів.

Кваркова структура адронів

Вченими було встановлено, що адрони, які беруть участь в сильній взаємодії, мають складну структуру. Це було виявлено за допомогою обстрілювання протонів електронами. Розсіювання електронів на протонах (ефект Комптона) підтвердило, що всередині протона (а також і нейтрона) існує складний розподіл заряду. Була висловлена думка, що адрони складаються з частинок, які пізніше назвали кварками.

Кожен кварк має антикварк. Було відкрито 6 кварків І, ІІ, ІІІ поколінь:

При дослідженні було встановлено, що кварки та антикварки мають дробовий електричний заряд:

;

Протон та нейтрон складаються з трьох кварків: ; кожен мезон − з двох:.

Різновиди кварків називають ароматами, яких існує 6, а окрім них − 6 антиароматів відносно антикварків.

Окрім ароматів кварки характеризуються “кольором”. Кожен кварк може мати три “кольори”: червоний, зелений, синій. Поєднання трьох кольорів даватиме білий. Для всіх адронів притаманний білий колір.

Наявність різних кольорів задається необхідністю виконання принципу Паулі.

Між кварками існують сильні взаємодії. Переносником є глюон (псевдочастинка), за допомогою якого відбувається взаємодія між кварками в адронах. Існує вісім глюонів, два з них є нейтральними, шість мають заряд.

Якщо кварк випромінює глюон, виникає кварк того ж аромату (тип кварка при цьому не змінюється). При випромінюванні глюона змінюється колір глюона з червоного на зелений. Глюони випромінюються при сильній взаємодії, при цьому змінюється лише колір.

Лептони не мають кольору.

Усі адрони складаються лише з кварків першого покоління. Існує кварко-лептонна симетрія (розбиття на покоління).

У таблиці 3.3 наведено значення квантових чисел для п’яти кварків (u, d, s, c, b).

Таблиця 3.3

Квантове число	Аромати кварків
	u	d	s	с	b	t
Електричний заряд, q	2/3	-1/3	-1/3	2/3	-1/3	2/3
Баріонний заряд, В	1/3	1/3	1/3	1/3	1/3	1/3
Спін, I	1/2	1/2	1/2	1/2	1/2	1/2
Ізотонічний спін, Т	1/2	1/2	0	0	0	0
Дивність, S		0	0	-1	0	0
Чарівність, С		0	0	0	1	0
Краса, К		0	0	0	0	1

Кварки не можуть існувати поодинці як вільні частинки, а це, мабуть, і є фундаментальною властивістю матерії на цьому структурному рівні.

Адже не можна ж до нескінченності застосовувати загальну схему, скажімо, Сонячної системи для опису дедалі глибших рівнів матерії.

Під час обговорення гіпотези кварків потрібно відмовитися від багатьох звичних характеристик мікрочастинок, очікуючи на появу зовсім нових властивостей. Мають з'явитися нові квантові харак­теристики і, відповідно, нові закони збереження. Можливі нові механізми взаємодії і нові типи носіїв взаємодії. Очікування виявилося не марним. Кварки й справді дуже відрізняються від елементарних частинок.

Перша, зовсім приголомшлива відмінність: кварки і антикварки мають електричний заряд, менший за елементарний. Заряд кварка може дорівнювати ±1/3 або ±2/3 елементарного заряду.

Друга відмінність: кварки мають малий баріонний заряд В = 1/3. Утім, можна сказати й інакше: елементарним є заряд кварка, який у три рази менший від «колишнього» елементарного заряду електрона:

.

Тоді колишні носії елементарного заряду – електрон і протон –повинні мати по три нові елементарні заряди. Те саме можна сказати й про новий мінімальний баріонний заряд. Тому логічно почати відлік «елементарності» або «фундаментальності» з глибшого рівня – з рівня кварків.

Кварки – первинні елементарні частинки.