§ 15. Некоторые сведения об элементарных частицах.

Иерархическая пирамида строения вещества выглядит так. Все вещества состоят из молекул; молекулы – из атомов; атомы построены из электронов и ядер; ядра – из протонов и нейтронов. Но электроны, протоны и нейтроны уже нельзя представить «состоящими из» каких-либо других отдельно существующих частиц, поэтому их называют элементарными частицами. Однако термин «элементарная частица» указывает только на то, что по современным представлениям эти частицы не обладают какой-либо внутренней структурой, но совсем не означает, что свойства таких частиц просты (элементарны). Наоборот элементарные частицы обладают весьма сложными и многообразными свойствами, претерпевают различные превращения. В настоящее время открыто свыше 300 элементарных частиц. Некоторые их них (электрон, протон, нейтрон, фотон, нейтрино) устойчивы и составляют большую часть материального мира. Другие же встречаются лишь в космическом излучении или получены искусственным путем в мощных ускорителях и имеют очень малое время жизни.

На сегодняшний день физики классифицируют элементарные частицы по тем или иным признакам, отыскивают общие свойства, позволяющие объединить их в более или менее крупные группы. Одна из возможных классификаций в ее самом общем виде приведена в таблице.

При классификации учитывают такие свойства частиц, как электрический заряд, масса покоя, спин и др. Элементарные частицы могут иметь положительный или отрицательный электрический заряд, равный по величине заряду электрона (элементарный заряд), либо вовсе не иметь заряда. Например, заряд протона (+1), заряд нейтрона (0), заряд л-мезонов (±1) и (0) и т. д. Элементарных частиц с зарядом, превышающим единицу, не найдено.

АДРОНЫ (частицы, вступающие в сильное взаимодействие с участием -мезонов)	Барионы	Гипероны (, , , )
		Нуклоны (n, p)
	Мезоны	К-мезоны
		-мезоны
ЛЕПТОНЫ (частицы, вступающие в слабое взаимодействие)	Мюонное семейство	-мезоны
		мезонное нейтрино ()
	Электронное семейство	электроны (е)
		электронное нейтрино (е)
ФОТОН	Квант электромагнитного излучения

По величине массы покоя элементарные частицы можно классифицировать так: 1) фотон (масса покоя равна нулю), 2) лептоны (масса покоя составляет от одной до сотен электронных масс), 3) мезоны (масса покоя имеет промежуточное значение между массами лептонов и нуклонов), 4) барионы (масса покоя равна или превышает массу покоя нуклонов).

Спин – собственный механический момент импульса элементарной частицы – в ядерной физике измеряется в единицах . Он может быть равен 0 (мезоны), /2 (электрон, нуклоны, гипероны), 1 (фотон). Кроме того, предполагают, что спин -гиперона равен 3 /2.

Античастицы. П.Дирак в 1928–1931 гг. теоретически предсказал существование античастиц. Они должны иметь массу, тождественную массе соответствующих частиц и противоположные другие параметры (заряд, спин и т. д.). В 1933 г. К.Андерсон открыл первую античастицу – антиэлектрон, которую назвали позитроном. В настоящее время почти у каждой частицы обнаружена античастица. Более того, получены даже ядра атомов антиводорода и антигелия. Это наводит на мысль, что во Вселенной возможно существование антивещества, скажем в виде антигалактик. Установить принадлежность далеких галактик к веществу или антивеществу очень сложно, так как квант электромагнитного излучения (фотон) – основной источник информации о них – тождественен антифотону. Встреча вещества с антивеществом явилась бы катастрофой. Дело в том, что при столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция – обе частицы перестают существовать как таковые и превращаются в другие частицы, главным образом в фотоны: е^- + е⁺  2у,

По закону сохранения энергии энергия двух образующихся фотонов равна энергии покоя исходных частиц: , откуда ясно, что аннигиляция сопровождается выделением колоссальнейшей энергии. Эффективность такой реакции примерно в 10³ раз выше, чем термоядерного синтеза. Имеет место и обратный процесс: при взаимодействии фотона с веществом может образоваться пара частица – античастица. Естественно, энергия фотона при этом должна быть не меньше энергии покоя двух образующихся частиц: .

Помимо рассмотренных выше реакций возможны и многие другие превращения элементарных частиц. Например:

В заключение следует сказать, что физика элементарных частиц еще далека от завершения и в настоящее время многие ее разделы интенсивно развиваются.