Элементарные частицы и их классификация. Понятие о кварках

Элементарной называется частица, которая на современном уровне развития науки не обнаруживает внутреннего строения, а ее размеры недоступны измерению. Фундаментальным свойством всех элементарных частиц является их способность к взаимному превращению. Элементарные частицы принято классифицировать по тому типу взаимодействия, в которое они вступают и по значению их собственного момента импульса (спина).

По типу характерных для частиц взаимодействий они делятся на четыре класса.

1 Фотоны – кванты электромагнитного поля, участвуют в электромагнитном взаимодействии, но не обладают сильным и слабым.

2 Лептоны – частицы, не обладающие сильным взаимодействием (электрон, позитрон, мюон, нейтрино, антинейтрино и др.). Все лептоны участвуют в слабом взаимодействии, заряженные лептоны участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

3 Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, участвуют также в слабом и электромагнитном взаимодействии (p-мезон, К-мезон и др.)

4 Барионы – частицы, обладающие сильным взаимодействием (протон, нейтрон, все гипероны). Заряженные барионы участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами.

Важнейшей характеристикой элементарной частицы служит собственный момент количества движения или спин. По значению собственного момента импульса (спина) элементарные частицы делятся на два класса:

1 Фермионы – частицы с полуцелым спином, описывающиеся антисимметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Ферми- Дирака (электрон, протон, нейтрон и др.)

2 Бозоны - частицы с нулевым или целочисленным спином, описывающиеся симметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Бозе - Эйнштейна (p-мезон, фотон).

Все лептоны и барионы являются фермионами, а мезоны и фотон – бозонами. Для коллективов фермионов справедлив принцип Паули, согласно которому в системе фермионов не может быть двух частиц, обладающими одинаковым набором квантовых чисел. Принципом Паули объясняется заполнение электронных оболочек атомов (Периодическая система элементов), оболочечная модель атомного ядра и т.д.

Все переносчики взаимодействий являются бозонами, а кварки и лептоны – фермионами. В связи с этим бозоны принято ассоциировать с взаимодействием, а фермионы – с веществом.

Впервые гипотеза о существовании античастиц была высказана в 1928 г. П. Дираком, который на основе релятивистского волнового уравнения предсказал существование антиэлектрона (позитрона). Спустя 4 года был обнаружен позитрон в составе космического излучения. Дальнейшие выводы релятивистской квантовой теории привели к заключению, что для каждой элементарной частицы должна существовать античастица. Экспериментально доказано существование антипротона, антинейтрона, антинейтрино и т.д. Каждая из истинно нейтральных частиц тождественна со своей античастицей.

Из общих принципов квантовой теории следует, что частицы и античастицы должны иметь одинаковые массы, одинаковые времена жизни, одинаковые по модулю, но противоположные по знаку электрические заряды, одинаковые спины и все квантовые числа, приписываемые частицам для описания их взаимодействий. Главное, что отличает частицу от античастицы, заключается в их способности к взаимной аннигиляции, в результате которой возникают другие элементарные частицы или фотоны.

Фундаментальное значение для понимания строения материи имело открытие антиядер, позволившее доказать возможность существования антивещества, построенного из античастиц.

Использование термина “элементарные” становится неоправданным, когда мы говорим о почти 400 частицах и античастицах, открытых к настоящему времени. В 1964 г. независимо друг от друга Дж. Цвейг и Гелл-Манн высказали гипотезу о существовании кварков. Согласно теории Цвейга – Гелл-Манна все известные к тому времени адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков: u (от англ. “up”, т.е. “вверх”), d (dawn - вниз) и s (strange – странный или sideways – боковой) и соответствующих им антикварков.

Кварки обладают дробным электрическим зарядом, полуцелым спином (т.е. являются фермионами) и рядом других характеристик. Увеличение числа элементарных частиц привело к необходимости расширения системы кварков. Пришлось постулировать существование еще трех кварков: с (charmed – очарованный), b (bottom-нижний или beauty - прелестный) и t (truth – истинный). Реальное существование кварков подтверждается рядом экспериментальных фактов.