Тема 32. Элементарные частицы

32.1. Виды взаимодействия и классы элементарных частиц

В современной физике элементарными частицами называются мель- чайшие наблюдаемые частицы материи, которые не являются атомами или атомными ядрами, т. е. объектами заведомо составной природы (исключение составляет протон – ядро атома водорода). Элементарные частицы ведут себя

как единое целое и обладают способностью к рождению, взаимопревращению и уничтожению (испусканию и поглощению) при взаимодействии с другими час- тицами. При этом многие из этих частиц имеют внутреннюю структуру. Из- вестно около 400 элементарных частиц (вместе с античастицами).

В природе существует четыре типа фундаментальных взаимодействийР :

личаются интенсивностями и длительностью процессов, вызываемыхИ среди элементарных частиц, и радиусами действия соответствующих сил. Об интен-

сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Эти взаимодействия раз-

сивности взаимодействий можно судить по скорости (или степени вероятности)
	У
Г
Б

процессов, вызываемых ими. В физике элементарных частиц обычно сравни-

вают скорости процессов при энергиях ~ 1 ГэВ. В табл. 32.1 указаны интенсив- ности взаимодействий в сравнении с сильным, принятым за единицу.

										Таблица 32.1
	Характеристика фунд						нт льных взаимодействий
								а
							к
						аме		процессов, с
Взаимодействие				т				Длительность		Радиус действия, м
			Интенсивность
Сильное			о						−24		−15
				1				10		10
Электромагнитное		и		10		−2		10	−21	∞
Слабое				10	−14			10	−10	10	−18
	л			10−31
Гравитационное								–		∞

С льное взаимодействие – это взаимодействие с интенсивностью зна-

чительно ольшей, чем у других типов взаимодействий. Оно свойственно час-
тицам, названнымб	адронами, к которым принадлежат, в частности, протон и
нейтрон. На более известное его проявление – ядерные силы, обеспечивающие
и
существование атомных ядер. Сильные взаимодействия короткодействующие и
поэтому не способны создавать структуры макроскопических размеров.
Б
Электромагнитное взаимодействие осуществляется через электромаг-

нитное поле. Оно значительно слабее сильного взаимодействия. Однако из-за дальнодействия электромагнитные силы во многих случаях оказываются глав- ными. В процессах электромагнитного взаимодействия непосредственно участ- вуют только электрически заряженные частицы и фотоны. Одно из его прояв- лений – кулоновские силы, обусловливающие существование атомов.

166

	Слабое взаимодействие весьма мало по
	сравнению с сильным и электромагнитным взаи-
	модействиями. Оно присуще всем частицам, кро-
	ме фотонов, и обусловливает нестабильность мно-
	гих элементарных частиц, таких, как нейтрон,
	мюоны, π -мезоны и т. д. Несмотря на малую ве-
	личину и короткодействие, слабое взаимодействие
	играет важнейшую роль в природе. Процессы
Рис. 32.1. Фрагмент созвездия	слабого взаимодействия обеспечивают энергетику
Чаша. Самая яркая звезда	термоядерных реакций внутри звезд и исключи-
вверху – это переменная	тельно важны в эволюции звезд, рис. 32.1. На
звезда UW Crateris	рис. 32.1 изображен снимок фрагмента созвездия
(класс красных гигантов) [23]	Чаша, сделанный с телескопов Южной Европей-
	ской обсерватории.	Р
Гравитационное взаимодействие – самое слабое среди фундаменталь-
		И
ных взаимодействий, характеризующееся участием гравитационного поля (поля

ливают существование звезд, планетных систем и т. п. В настоящее время вы-

тяготения) в процессах взаимодействия. Силы всемирного тяготения обуслов-
	У
Г
Б

деляют классическую и квантовую теорию гравитации. В наблюдаемых про- цессах во Вселенной и в лабораторных условиях квантовые эффекты, связан- ные с гравитацией, чрезвычайно малы. Гр вит ционное взаимодействие в мире элементарных частиц при обычных энергиях непосредственной роли не играет.

В 80-х гг. ХХ в. была создана динаятеория электрослабого взаимодей-

к ствия. В ней слабое и электромагнитноее взаимодействия рассматриваются как

различные проявления электрослабого взаимодействия (американцы Ш. Глэ- шоу, С. Вайнберг и пакис анец А. Салам, Нобелевская премия, 1979).

Все частицы (включая неэлементарные и так называемые квазичастицы)

подразделяют на б з ны (час ицы с нулевым или целочисленным спином) и
					т
фермионы (част цы с п луцелым спином).
	Практически всеоэлементарные частицы являются нестабильными, рас-
падаясь на друг				е част цы. Время жизни τ таких частиц варьируется в пределах
от 10	–18	до 10	–11	и
				с. Стабильными частицами (τ → ∞ ) являются фотон, элек-
трон, протон ли три нейтрино. Например, среднее время жизни свободного ней-
–20ми
трона составляет 11,7 мин. Резонансами называют частицы, распадающиеся за
		б				−22	−10	−24	с. Квазиста-
счет с льного взаимодействия, с временем жизни 10

бильныБ называют нестабильные частицы с временем жизни, превышающим 10 с, распадающиеся за счет электромагнитного или слабого взаимодействия.

В теории электрослабого взаимодействия наряду с квантом электромаг-

нитного поля фотоном участвуют три новых частицы – промежуточные бозоны W + , W − и Z 0 . Фотон участвует в электромагнитных взаимодействиях, но не обладает сильным и слабым взаимодействиями. Промежуточные бозоны W ± и

Z 0 являются квантами слабого взаимодействия и экспериментально открыты в Женеве в 1983 г. (итальянец К. Руббиа, Нобелевская премия, 1984). Они суще-

167

ственно отличаются от фотона наличием заряда и массы. Электрический заряд

у W + -бозона такой же, как и у протона, у W − -бозона – как у электрона, a Z 0 - бозон электрически нейтрален. Важная отличительная черта промежуточных бозонов – их массивность ( mW + = mW − ≈ 80,2 ГэВ и mZ 0 ≈ 91,2 ГэВ).

За исключением фотона и промежуточных бозонов (W + , W − и Z 0 ) эле- ментарные частицы разбиваются на две основные группы: лептоны и адроны. Для наглядности в табл. 32.2 систематизирована основная часть известных эле- ментарных частиц, включая их античастицы. Более подробная классификация

элементарных частиц приводится в специальной литературе.

Р

Таблица 32.2

Основные группы частиц, относящиеся к лептонам и адронам

~

Адроны

У

~

И

Г

Лептоны

Мезоны

Барионы

e

−

(е

+

), νe (νe ),

π

0

, π (π

−

),

р ( p ), п (n ),

+

~

~

−

+

+

−

0 ~0

0

~0

+ ~+

%

0 ~0

− ~

−

μ

K ( K ), K ( K ),

Λ

( Λ ), Σ (Σ

−

(μ ), ν (ν ),

), Σ (Σ ), Σ (Σ ),

+

~

η

0

и т.д.

Ξ

0

(Ξ

), Ξ− (Ξ− ),

μ μ

~0

~

τ

(τ ), ντ (ντ )

к

Б− ~ −

Ω (Ω ) и т.д.

Символы «+» и «–» использованы для обозн чения противоположно заряженных частиц,
а0	, π	+	и π	−	.
символ «0» – нейтральных частиц. Наприм р, пионы: π

Группа лептонов (от гр чем. «л птос» – «легкий») состоит из частиц, не обладающих сильным взаимодейс ви : электрона е, мюона μ, электронного νe

и мюонного ν μ нейтри , ау-леп	она τ (таона), тау-нейтрино ντ , а также соот-
ветствующих им ант част тц. Они	участвуют только в электромагнитном и сла-

бом взаимодейств ях. Все лептоны имеют спин, равный 1 2 , т. е. являются
	но
фермионами. Лептонное число L (лептонный заряд) лептонов равно +1, у ан-
и
тилептонов L = −1, а у всех остальных элементарных частиц L = 0 . Отметим,
л
что в замкнутой системе выполняется закон сохранения лептонного числа (вве-

ден в 1953 г. одновременно советским физиком Я. Б. Зельдовичем, американ-
цем Э. Конопинскимб	и венгерским физиком Д. Марксом).
К группе адронов (от греч. «áдрос» – «тяжелый») относятся частицы,
и
участвующие в сильном взаимодействии: мезоны (пионы π (π-мезоны), каоны K
(K-мезоны), эта-мезон η и мезонные резонансы) и барионы (нуклоны (протон р,
Б
нейтрон п), гипероны и барионные резонансы). Адроны характеризуются бари-

онным числом В (барионным зарядом). Барионное число является аддитивной величиной. В замкнутой системе выполняется закон сохранения барионного числа (был постулирован в 1938 г. швейцарским физиком Э. Штюккельбергом). Поэтому, условно приписывая протону B = +1 (антипротону – B = −1), можно установить его величину для всех других частиц по их распадам.

168

Мезоны – это сильно взаимодействующие нестабильные частицы, кото- рые обладают барионным числом, равным нулю. Спин данных частиц является целочисленным или равен нулю. Поэтому они являются бозонами. Например, π-мезоны обладают массой, промежуточной между массами протона и элек- трона. В значительной мере π-мезоны определяют состав космических лучей в пределах земной атмосферы. Отметим, что лептоны и фотон, как и мезоны, имеют B = 0 .

Барионы – это адроны с барионным числом, равным единице. Барионы с массой, больше массы протона, и большим временем жизни (на много порядков превышающим характерное время сильного взаимодействия) называются гипе-

ронами (лямбда Λ, сигма Σ± и Σ0 , кси Ξ0 и Ξ− , омега Ω− ). Гипероны относят

спин которого 3/2. Все барионы кроме самого легкого – протонаИ, нестабильны. Современные модели физики элементарных частиц предсказывают нестабиль-

к квазистабильным частицам. Барионы имеют полуцелый спин, т. е. являются
фермионами. Спин всех барионов равен 1 2 , за исключением гиперонаР	Ω− ,
У

ность свободного протона со средним временем жизни более 1032 лет, сущест-

венно превышающим возраст Вселенной. Согласно закону сохранения барион-
ного числа при распаде бариона наряду с другими частицамиГ			всегда образуется
	а
новый барион. В свободном состоянии б рионы распадаются в конечном итоге
на протон.	к	Б

Таким образом, элементарные ч стицы х рактеризуются квантовыми ха-

странность S и четность Р. Всеадроны обладают определенными целочис- ленными значениями S, такимиют, что выполняется неравенство S ≤ 3. Гипероны можно охарактеризовать как барионы с отличным от нуля значением странно-

рактеристиками, такими, как, например, б рионное число, лептонное число,

сти. Например, фот ну и леп онам, как частицам, не участвующим в сильном

взаимодействии, приписыва S = 0 . Странность Λ -гиперонов равна −1, ну- клонов – 0, K-мезон в – + 1. Квантовое число S сохраняется в процессах силь- ного и электромагнлтного взаимодействий (закон сохранения странности, от- крытый независ мо амер канским физиком М. Гелл-Маном и японским физи- ком К. Нишиджимойб , 1953). Введение странности позволяет определять осо- бенностиповедения гиперонов, например, их схемы распада: распад частиц с неравной нулю странностью ( S = 1 или S = −1) за счет сильного взаимодейст- вияБна част цы, у которых S = 0 , невозможен. Следовательно, если при проте- кании реакции наблюдается нарушение странности, то данная реакция не мо- жет происходить за счет сильного взаимодействия.

Квантовое число Р характеризует симметрию волновой функции Ψ эле- ментарной частицы (или системы элементарных частиц) относительно «зер- кального отражения» (инверсии координат, т. е. изменения знаков всех коорди- нат). В зависимости от того, меняет ли волновая функция частицы (системы частиц) при «зеркальном отражении» знак или не меняет, четность будет поло- жительная ( P = +1) или отрицательная ( P = −1).

169