Элементарные частицы. 13.1. Понятие «элементарные частицы»

13.1. Понятие «элементарные частицы»

В точном значении термина «элементарные» - это первичные неделимые простейшие частицы без внутренней структуры, из которых состоит материя.

К 1932 году были известны четыре типа частиц: электроны, протоны, нейтроны и фотоны. Эти частицы (за исключением фотона) действительно являются составными частями наблюдаемой материи.

К 1956 году было обнаружено уже около 30 элементарных частиц. Так, в составе космического излучения, были открыты позитроны (1932 г.), мюоны (1936 г.), p(пи) - мезоны (1947 г.), странные частицы К (ка) - мезоны и гипероны. Последующие открытия в этой области сделаны с помощью больших ускорителей, сообщающих частицам энергии порядка сотен и тысяч МэВ. Так были открыты антипротоны (1955 г.) и антинейтроны (1956 г.), тяжёлые гипероны и резонансы (60-е годы), «очарованные» и «прелестные» частицы (70-е годы), t(тау) - лептон (1975 г.), n(ипсилон) - частица с массой порядка десяти(!) протонных масс, «красивые» частицы (1981 г.), промежуточные векторные бозоны (1983 г.). Сейчас известно несколько сотен частиц и их число продолжает расти.

Общее свойство всех этих элементарных частиц - они являются специфическими формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы. По этой причине к элементарным частицам больше подходит термин «субъядерные частицы». Большинство таких частиц не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку (по современным представлениям) они являются составными системами, то есть имеют внутреннюю структуру. Однако, в соответствии со сложившейся практикой термин «элементарные частицы» сохраняется. Частицы же, претендующие на роль первичных элементов материи (например, электрон), называются «истинно элементарные».

13.1.1. Основные свойства элементарных частиц

Все элементарные частицы, имеют очень малые массы: от 10^-22 (у промежуточных бозонов) до ~ 10^-27 (у электрона). Самые лёгкие частицы - нейтрино (предполагается, что её масса в 10 тысяч раз меньше массы электрона). Размер элементарных частиц тоже исключительно мал: от 10^-13 см (у адронов) до < 10^-16 см у электронов и мюонов.

Микроскопические массы и размеры обуславливают квантовую специфику поведения элементарных частиц. Наиболее важное квантовое свойство - способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами.

Большинство элементарных частиц нестабильны: рождаясь в космических лучах или ускорителях, они живут доли секунды, а затем претерпевают распад. Мерой стабильности частицы служит среднее время жизни t. Электрон, протон, фотон и нейтрино - абсолютно стабильные частицы (t®¥), во всяком случае их распад экспериментально не обнаружен. Нейтрон квазистабилен (t=(898±16)с. Существуют группы нестабильных частиц со средними временами жизни порядка 10^-6, 10^-8, 10^-10, 10^-13, 10^-16, 10^-20 с. Самые кротко живущие частицы – резонансы: t~(10^-22¸10^-23)с.

Общими характеристиками элементарных частиц являются также спин , электрический заряд q и собственный магнитный момент . Спин обычно выражается в единицах и принимает только целые или полуцелые значения. Он определяет количество возможных спиновых состояний частицы, а также тип статистики, которой подчиняются данные частицы. По этому признаку все частицы делятся на фермионы (частицы с полуцелым спином) и бозоны (частицы с целым спином). Электрический заряд частицы является целым кратным элементарному заряду |e| = 1,6 × 10^-19 Кл. У известных элементарных частиц электрический заряд в единицах e принимает значения: q = 0, ±1, ±2 . Частицы с дробным зарядом - кварки - в свободном состоянии не встречаются (см. п.5.3.2).

Собственный магнитный момент характеризует взаимодействие покоящейся частицы с внешним магнитным полем. Векторы и

параллельны или антипараллельны.

Кроме перечисленных, элементарные частицы характеризуются ещё целым рядом квантовых характеристик, называемых «внутренними» (лептонный заряд, барионный заряд, странность и др.).

13.1.2 Частицы и античастицы

Практически каждой частице соответствует античастица - частица с такой же массой, временем жизни, спином; остальные характеристики у них равны по модулю, но противоположны по знаку (электрический заряд, магнитный момент, внутренние квантовые характеристики). Некоторые частицы (например, фотон) не обладают никакими внутренними квантовыми числами и, потому, тождественны своим античастицам - это истинно нейтральные частицы.

Вывод о существовании античастиц впервые сделал П. Дирак (1930 г.). Он вывел релятивистское квантовое уравнение, описывающее состояние частицы с полуцелым спином. Для свободной частицы уравнение Дирака приводит к релятивистскому соотношению между импульсом (p), энергией (Е) и массой (m) частицы:

Для покоящегося электрона (p_e=0) возможны следующие энергетические уровни: и , интервал энергий «запрещён».

В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией трактуется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией, но противоположным электрическим зарядом. Все возможные отрицательные уровни энергии заполнены, но не наблюдаемы. Фотон с энергией способен перевести электрон из состояния с отрицательной энергией в состояние с положительной энергией (см. рис. 5.1) - электрон становится наблюдаемым.

Рис 5.1. Возможные уровни энергии электрона

«Дырка» в отрицательном «море» ведёт себя как положительно заряженный электрон - позитрон. Таким образом, фотон превращается в электрон-позитронную пару «частица-античастица».

Встречаясь, друг с другом медленные электрон и позитрон аннигилируют, порождая, обычно, два g - кванта:

При соударении быстрой частицы и античастицы могут рождаться не только фотоны, но и самые разнообразные частицы вплоть до самых тяжелых.