Виды фундаментальных взаимодействий и классификация элементарных частиц

Процессы с элементарными частицами (при изученных энергиях) заметно отличаются по интенсивности. В соответствии с этим различают четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью. Оно обеспечивает устойчивость нуклонов, связь нуклонов в ядре, процессы рождения странных частиц и др.

Электромагнитное взаимодействие менее интенсивно. В его основе лежит связь частиц с электромагнитным полем. Оно обуславливает существование атомов и молекул, ответственно за процессы аннигиляции электрон-позитронных пар, за процессы рассеяния электронов на электронах и ядрах. В электромагнитном взаимодействии непосредственно участвуют только электрически заряженные частицы и фотоны.

Слабое взаимодействие присуще всем частицам, кроме фотонов. Оно вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе b - распады ядер, распад m(мю) - мезонов и p - мезонов, процессы рассеяния нейтрино и антинейтрино.

Гравитационное взаимодействие предельно слабое и в микромире при обычных энергиях (на расстояниях r~10^-15 м, характерных для элементарных частиц). Гравитационные эффекты несущественны из-за малости масс частиц. Однако при энергии ~10²² эВ (на расстоянии r~10^-35 м) гравитационные силы могут стать ощутимыми.

Более подробное сопоставление фундаментальных взаимодействий дано в §5.3.

В сильном взаимодействии принимают участие только частицы, называемые адронами (от греч. «адрос» - крупный, массивный). Адроны составляют основную часть элементарных частиц, они могут участвовать во всех типах фундаментальных взаимодействий. К группе адронов относятся, в частности, нуклоны. Адроны являются составными частицами (состоят из кварков), но разбить их на составные части нельзя.

Частицы не участвующие в сильном взаимодействии и имеющие спин , объединяют в группу лептонов (от греч. «лептос» - легкий, мелкий). Второй признак исключает из этой группы фотоны ( ). Нейтральные лептоны участвуют только в слабом взаимодействии, заряженные - в слабом и электромагнитном. К группе лептонов относятся, в частности, электрон и нейтрино. На современном уровне знаний лептоны выглядят как бесструктурные, истинно элементарные частицы.

Кроме перечисленных существуют частицы - переносчики фундаментальных взаимодействий. К этой группе частиц относятся, например, фотоны - переносчики электромагнитного взаимодействия.

Рассмотрим подробнее указанные группы частиц.

5.2.1. Лептоны

Все представители класса лептонов и их основные характеристики приведены в таблице 5.1

Таблица 5.1

Семейство лептонов	Символ частицы	Специальный лептонный заряд	Масса, МэВ	Время жизни t, c
		Le	Lm	Lt
Электронное					0,511 <4,6×10-5	¥ ¥
Мюонное					105,66 <0,25	2,2×10-6 ¥
Таонное					<70	3,5×10-13 ¥

Известно всего три лептонные пары. Каждая пара обладает специфическим лептонным зарядом. Считается, что во всех процессах в замкнутой системе сохраняется не только полный лептонный заряд L= L_e+ L_m+ L_t , но и каждый его компонент по отдельности. Каждой паре лептонов соответствует дублет антилептонов: ( , ), ( , ) и ( , ). У антилептонов L= -1.

Самый тяжёлый t - лептон (таон) имеет массу почти в два раза больше, чем у протона, поэтому для него термин «лептон» потерял смысл. Мюоны и таоны нестабильны, распадаются за счёт слабого взаимодействия. Например:

; .

Нейтрино ( , , ) - нейтральные лептоны, которые сопровождают b - распад атомных ядер (см. п. 2.3.2.), испускаются при распадах элементарных частиц. Наличие у нейтрино массы не доказано. Нейтрино игнорируют сильные и электромагнитные взаимодействия и, поэтому, могут без труда пронизывать толщу Земли или Солнца. Мощные потоки нейтрино генерируются в недрах Земли и в атмосфере, в межзвездной среде и в ядерных реакторах.

5.3.2. Кварки

В 1964 году Гелл-Манн и Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все адроны можно построить из трёх частиц - кварков. В настоящее время система кварков включает шесть разновидностей (ароматов) u, d, s, t, b и c, каждый из которых существует в трёх цветовых вариантах (жёлтый, синий, красный), отличающихся квантовыми числами. Кварки несут дробные электрические заряды и (в единицах заряда электрона) и спин равный (в единицах ).

Кварки, как и лептоны, можно разбить на три группы (см. таблицу 5.2).

Таблица 5.2

Имя кварка	Символ кварка	Масса, МэВ	Электрич. заряд
up   down	u   d	~350   ~350
charm   strange	c   s	~1800   ~550
truth   beauty	t   b	>20000   ~4500

Экспериментальные данные указывают на реальное существование кварков. Однако в свободном состоянии кварки не наблюдаемы. Причина заключается в том, что при малых расстояниях силы взаимодействия между кварками малы, но при попытке вытащить кварк из адрона эти силы становятся огромными.

Идея кварков позволила не только систематизировать известные частицы, но и предсказать новые.

5.3.3 Адроны

Внутри группы адронов - сильно взаимодействующих частиц - различают два семейства: мезоны (от греч. «мезос» - промежуточный, средний) и барионы (от греч. «барис» - тяжёлый).

Мезоны состоят из кварка и антикварка, имеют целый спин (p-мезоны, К-мезоны и др.). Барионы состоят из трёх кварков, имеют полуцелый спин. В семейство барионов входят нуклоны (протон и нейтрон) и гипероны ( , , , и др.).

Некоторые представители класса адронов приведены в таблице 5.3.

Таблица 5.3

Мезоны	Барионы
Символ	Масса, МэВ	Среднее время жизни, с	Квар-ковый состав	Символ	Масса, МэВ	Среднее время жизни, с	Квар-ковый состав
	139,57 134,96	2,6×10-8 0,8×10-16		p n	938,28 939,57	¥ 898+16	uud udd
	493,67 497,7	1,2×10-8 0,9×10-10 5,2×10-8			1189,4 1192,5 1197,3	0,8×10-10 5×10-20 1,5×10-10	uus uds dds
		4×10-13 2×10-13			1321,3	2,9×10-10 1,6×10-10	uss dss
		2×10-13			1672,5	1,0×10-10	sss

Всем барионам приписывается барионный заряд B=1 (для антибарионов B=-1), у других частиц (лептонов, мезонов) B=0. Все барионы (кроме протона!) нестабильны и распадаются с образованием нуклонов и более лёгких частиц. Например:

.

Мезоны тоже нестабильны. Распад - мезона происходит, например, по схеме:

.

Существует много схем распада К - мезонов, например:

; ;

; .

Адроны могут находиться в возбужденных состояниях, так как являются составными частицами. Возбужденные состояния адронов - это и есть короткоживущие резонансы, которые распадаются за счёт сильного взаимодействия. Эксперимент подтверждает наличие возбуждённых состояний и у мезонов и у барионов. Близкие по массе адроны рассматриваются как различные зарядовые состояния одной и той же частицы. Так, нуклоны образуют дублет (n и p), p-мезоны - триплет (p⁺,p^-, p⁰⁾ и т.д. Их называют изотопическими мультиплетами, каждый мультиплет принято характеризовать некой внутренней характеристикой - изоспином I. Величина I определяет число n адронов в мультиплете (изоспин нуклона I= , n=2I+1=2). В сильных взаимодействиях изоспин сохраняется.

Мезоны и гипероны, в состав которых входит кварк s(или ), получили название «странные частицы». Всем им приписывается внутренне квантовое число - странность S. У обычных частиц S=0.

«Очарованными» называются частицы, в состав которых входит кварк с; «прелестные» - содержат кварк b. Им, соответственно, приписываются квантовые числа С («очарование») и В («прелесть»), равные нулю для обычных частиц. Числа S, C и b выводятся так, чтобы выполнялось соотношение Гелл-Манна-Нишиждимы:

, (5.1)

где I_S - проекция изоспина.

Из соотношения (5.1) ясно, что - мезону, например, следует приписать странность S=+1 (заряд - мезона q=+1). Считается, что S сохраняется в сильном (и электромагнитном) взаимодействии, но не сохраняется в слабом.