Частицы элементарные. Фундаментальная частица Нейтральная фундаментальная частица

±1 1 80,4 Слабое взаимодействие Z 0 0 1 91,2 Слабое взаимодействие Глюон 0 1 0 Сильное взаимодействие Бозон Хиггса 0 0 ≈125,09±0,24 Инертная масса

Поколение		Кварки с зарядом (+2/3)				Кварки с зарядом (−1/3)
			Символ кварка/ антикварка	Масса (МэВ)		Название/ аромат кварка/ антикварка	Символ кварка/ антикварка	Масса (МэВ)
1		u-кварк (up-кварк) / анти-u-кварк	$u\; /\; \backslash ,\; \backslash overline\{u\}$	от 1,5 до 3		d-кварк (down-кварк) / анти-d-кварк	$d\; /\; \backslash ,\; \backslash overline\{d\}$	4,79±0,07
2		c-кварк (charm-кварк) / анти-c-кварк	$c\; /\; \backslash ,\; \backslash overline\{c\}$	1250 ± 90		s-кварк (strange-кварк) / анти-s-кварк	$s\; /\; \backslash ,\; \backslash overline\{s\}$	95 ± 25
3		t-кварк (top-кварк) / анти-t-кварк	$t\; /\; \backslash ,\; \backslash overline\{t\}$	174 200 ± 3300		b-кварк (bottom-кварк) / анти-b-кварк	$b\; /\; \backslash ,\; \backslash overline\{b\}$	4200 ± 70

См. также

Напишите отзыв о статье "Фундаментальная частица"

Примечания

Ссылки

• С. А. Славатинский // Московский физико-технический институт (Долгопрудный , Московской обл.)
• Славатинский С.А. // СОЖ, 2001, No 2, с. 62–68 архив web.archive.org/web/20060116134302/journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
• // nuclphys.sinp.msu.ru
• // second-physics.ru
• // physics.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru

Фундаментальные частицы Составные частицы Соединения фундаментальных и/или составных частиц Обычные Необычные Другие классификации частиц

Отрывок, характеризующий Фундаментальная частица

На другой день он проснулся поздно. Возобновляя впечатления прошедшего, он вспомнил прежде всего то, что нынче надо представляться императору Францу, вспомнил военного министра, учтивого австрийского флигель адъютанта, Билибина и разговор вчерашнего вечера. Одевшись в полную парадную форму, которой он уже давно не надевал, для поездки во дворец, он, свежий, оживленный и красивый, с подвязанною рукой, вошел в кабинет Билибина. В кабинете находились четыре господина дипломатического корпуса. С князем Ипполитом Курагиным, который был секретарем посольства, Болконский был знаком; с другими его познакомил Билибин.
Господа, бывавшие у Билибина, светские, молодые, богатые и веселые люди, составляли и в Вене и здесь отдельный кружок, который Билибин, бывший главой этого кружка, называл наши, les nфtres. В кружке этом, состоявшем почти исключительно из дипломатов, видимо, были свои, не имеющие ничего общего с войной и политикой, интересы высшего света, отношений к некоторым женщинам и канцелярской стороны службы. Эти господа, повидимому, охотно, как своего (честь, которую они делали немногим), приняли в свой кружок князя Андрея. Из учтивости, и как предмет для вступления в разговор, ему сделали несколько вопросов об армии и сражении, и разговор опять рассыпался на непоследовательные, веселые шутки и пересуды.
– Но особенно хорошо, – говорил один, рассказывая неудачу товарища дипломата, – особенно хорошо то, что канцлер прямо сказал ему, что назначение его в Лондон есть повышение, и чтоб он так и смотрел на это. Видите вы его фигуру при этом?…
– Но что всего хуже, господа, я вам выдаю Курагина: человек в несчастии, и этим то пользуется этот Дон Жуан, этот ужасный человек!
Князь Ипполит лежал в вольтеровском кресле, положив ноги через ручку. Он засмеялся.
– Parlez moi de ca, [Ну ка, ну ка,] – сказал он.
– О, Дон Жуан! О, змея! – послышались голоса.
– Вы не знаете, Болконский, – обратился Билибин к князю Андрею, – что все ужасы французской армии (я чуть было не сказал – русской армии) – ничто в сравнении с тем, что наделал между женщинами этот человек.
– La femme est la compagne de l"homme, [Женщина – подруга мужчины,] – произнес князь Ипполит и стал смотреть в лорнет на свои поднятые ноги.
Билибин и наши расхохотались, глядя в глаза Ипполиту. Князь Андрей видел, что этот Ипполит, которого он (должно было признаться) почти ревновал к своей жене, был шутом в этом обществе.
– Нет, я должен вас угостить Курагиным, – сказал Билибин тихо Болконскому. – Он прелестен, когда рассуждает о политике, надо видеть эту важность.
Он подсел к Ипполиту и, собрав на лбу свои складки, завел с ним разговор о политике. Князь Андрей и другие обступили обоих.
– Le cabinet de Berlin ne peut pas exprimer un sentiment d"alliance, – начал Ипполит, значительно оглядывая всех, – sans exprimer… comme dans sa derieniere note… vous comprenez… vous comprenez… et puis si sa Majeste l"Empereur ne deroge pas au principe de notre alliance… [Берлинский кабинет не может выразить свое мнение о союзе, не выражая… как в своей последней ноте… вы понимаете… вы понимаете… впрочем, если его величество император не изменит сущности нашего союза…]
– Attendez, je n"ai pas fini… – сказал он князю Андрею, хватая его за руку. – Je suppose que l"intervention sera plus forte que la non intervention. Et… – Он помолчал. – On ne pourra pas imputer a la fin de non recevoir notre depeche du 28 novembre. Voila comment tout cela finira. [Подождите, я не кончил. Я думаю, что вмешательство будет прочнее чем невмешательство И… Невозможно считать дело оконченным непринятием нашей депеши от 28 ноября. Чем то всё это кончится.]
И он отпустил руку Болконского, показывая тем, что теперь он совсем кончил.
– Demosthenes, je te reconnais au caillou que tu as cache dans ta bouche d"or! [Демосфен, я узнаю тебя по камешку, который ты скрываешь в своих золотых устах!] – сказал Билибин, y которого шапка волос подвинулась на голове от удовольствия.
Все засмеялись. Ипполит смеялся громче всех. Он, видимо, страдал, задыхался, но не мог удержаться от дикого смеха, растягивающего его всегда неподвижное лицо.
– Ну вот что, господа, – сказал Билибин, – Болконский мой гость в доме и здесь в Брюнне, и я хочу его угостить, сколько могу, всеми радостями здешней жизни. Ежели бы мы были в Брюнне, это было бы легко; но здесь, dans ce vilain trou morave [в этой скверной моравской дыре], это труднее, и я прошу у всех вас помощи. Il faut lui faire les honneurs de Brunn. [Надо ему показать Брюнн.] Вы возьмите на себя театр, я – общество, вы, Ипполит, разумеется, – женщин.
– Надо ему показать Амели, прелесть! – сказал один из наших, целуя кончики пальцев.
– Вообще этого кровожадного солдата, – сказал Билибин, – надо обратить к более человеколюбивым взглядам.
– Едва ли я воспользуюсь вашим гостеприимством, господа, и теперь мне пора ехать, – взглядывая на часы, сказал Болконский.
– Куда?
– К императору.
– О! о! о!
– Ну, до свидания, Болконский! До свидания, князь; приезжайте же обедать раньше, – пocлшaлиcь голоса. – Мы беремся за вас.
– Старайтесь как можно более расхваливать порядок в доставлении провианта и маршрутов, когда будете говорить с императором, – сказал Билибин, провожая до передней Болконского.
– И желал бы хвалить, но не могу, сколько знаю, – улыбаясь отвечал Болконский.
– Ну, вообще как можно больше говорите. Его страсть – аудиенции; а говорить сам он не любит и не умеет, как увидите.

Единицы измерения физических величин при описании явлений, происходящих в микромире, подразделяются на основные и производные, которые определяются через математическую запись законов физики.
В связи с тем, что все физические явления происходят в пространстве и времени, за основные единицы принимают в первую очередь единицы длины и времени, к ним присоединяется единица массы. Основные единицы: длины l , времени t, массы m − получают определенную размерность. Размерности производных единиц определяются формулами, выражающими определенные физические законы.
Размеры основных физических единиц подбирают так, чтобы на практике было удобно ими пользоваться.
В системе СИ приняты следующие размерности: длины [l ] = м (метр), времени [t] = с (секунда), массы [т] = кг (килограмм).
В системе СГС для основных единиц приняты следующие размерности: длины [/] = см (сантиметр), времени [t] = с (секунда) и массы [т] = г (грамм). Для описания явлений, происходящих в микромире, можно использовать обе системы единиц СИ и СГС.
Оценим порядки величин длины, времени и массы в явлениях микромира.
Кроме общепринятых международных систем единиц СИ и СГС используются также "естественные системы единиц", опирающиеся на универсальные физические константы. Эти системы единиц особенно уместны и используются в различных физических теориях. В естественной системе единиц за основные единицы приняты фундаментальные постоянные: скорость света в вакууме − с, постоянная Планка − ћ, гравитационная постоянная G N , постоянная Больцмана − k: число Авогадро − N A , и др. В естественной системе единиц Планка принято с = ћ = G N = k = 1. Этой системой единиц пользуются в космологии для описания процессов, в которых одновременно существенны квантовые и гравитационные эффекты (теории Черных дыр, теории ранней Вселенной).
В естественной системе единиц решена проблема естественной единицы длины. Таковой можно считать комптоновскую длину волны λ 0 , которая определяется массой частицы М: λ 0 = ћ/Мс.
Длина характеризует размер объекта. Так, для электрона классический радиус r 0 = e 2 /m e c 2 = 2.81794·10 -13 см (е, m е − заряд и масса электрона). Классический радиус электрона имеет смысл радиуса заряженного шара с зарядом е (распределение сферически симметрично), при котором энергия электростатического поля шара ε = γе 2 /r 0 равна энергии покоя электрона m e c 2 (используется при рассмотрении томпсоновского рассеяния света).
Используется также радиус боровской орбиты. Он определяется как расстояние от ядра, на котором с наибольшей вероятностью можно обнаружить электрон в невозбужденном атоме водорода
a 0 = ћ 2 /m e e 2 (в СГС-системе) и a 0 = (α/4π)R = 0.529·10 -10 м (в СИ-системе), α = 1/137.
Размер нуклона r ≈ 10 -13 см (1 фемтометр). Характерные размеры атомных систем − 10 -8 , ядерных систем − 10 -12 ÷ 10 -13 см.
Время изменяется в широком интервале и определяется как отношение расстояния R к скорости объекта v. Для микрообъектов τ яд = R/v = 5·10 -12 см/10 9 см/с ~ 5·10 -22 с;
τ элем ч = 10 -13 см/3·10 10 см/с = 3·10 -24 с.
Массы объектов изменяются от 0 до М. Так, масса электрона m е ≈ 10 -27 г, масса протона
m р ≈ 10 -24 г (СГС-система). Одна атомная единица массы, использующаяся в атомной и ядерной физике, 1 а.е.м. = М(С)/12 в единицах массы атома углерода.
К фундаментальным характеристикам микрообъектов следует отнести электрический заряд, а также характеристики, необходимые для идентификации элементарной частицы.
Электрический заряд частиц Q измеряется обычно в единицах заряда электрона. Заряд электрона е = 1.6·10 -19 кулон. Для частиц в свободном состоянии Q/e = ±1, 0, а для кварков, входящих в состав адронов, Q/e = ±2/3 и ±1/3.
В ядрах заряд определяется количеством протонов Z, содержащихся в ядре. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона.
Для идентификации элементарной частицы необходимо знать:
I − изотопический спин;
J − собственный момент количества движения − спин;
Р − пространственную четность;
С − зарядовую четность;
G − G-четность.
Эти сведения записываются в виде формулы I G (J PC).
Спин − одна из важнейших характеристик частицы, для измерения которой используется фундаментальная константа Планка h или ћ = h/2π = 1.0544·10 -27 [эрг-с]. Бозоны имеют целый спин в единицах ћ: (0,1, 2,...)ћ, фермионы − полуцелый (1/2, 3/2,.. .)ћ. В классе суперсимметричных частиц значения спинов фермионов и бозонов меняются местами.

Рис. 4 иллюстрирует физический смысл спина J по аналогии с классическим представлением о моменте количества движения частицы с массой m = 1 г, движущейся со скоростью v = 1 см/с по окружности с радиусом r = 1 см. В классической физике момент количества движения J = mvr = L (L − орбитальный момент). В квантовой механике J = = 10 27 ћ = 1 эрг·с для тех же параметров движущегося по окружности объекта, где ћ = 1.05·10 -27 эрг·с.
Проекция спина элементарной частицы на направление ее импульса называется спиральностью. Спиральность безмассовой частицы с произвольным спином принимает только два значения: по или против направления импульса частицы. Для фотона возможные значения спиральности равны ±1, для безмассового нейтрино спиральность равна ±1/2.
Спиновый момент количества движения атомного ядра определяется как векторная сумма спинов элементарных частиц, образующих квантовую систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы. Орбитальный момент ||, и спиновый момент || приобретают дискретное значение. Орбитальный момент || = ћ[l (l +1)] 1/2 , где l − орбитальное квантовое число (может принимать значения 0, 1,2,...), собственный момент количества движения || = ћ 1/2 где s − спиновое квантовое число (может принимать нулевые, целые или полуцелые значенияJ, полный момент количества движения равен сумме + = .
К производным единицам следует отнести: энергию частицы, быстроту, заменяющую скорость для релятивистских частиц, магнитный момент и др.
Энергия покоящейся частицы: Е = mc 2 ; движущейся частицы: Е = m 2 c 4 + p 2 c 2 .
Для нерелятивистских частиц: Е = mс 2 + р 2 /2m; для релятивистских частиц, с массой m = 0: Е = ср.
Единицы измерения энергии − эВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ... 1 ГэВ = 10 9 эВ, 1 ТэВ = 10 12 эВ,
1 эВ = 1.6·10 -12 эрг.
Скорость частицы β = v/c, где с = 3·10 10 см/с − скорость света. Скорость частицы определяет такую важнейшую характеристику как Лоренц-фактор частицы γ = 1/(1-β 2) 1/2 = E/mc 2 . Всегда γ > 1- Для нерелятивистских частиц 1 < γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2.
В физике высоких энергий скорость частицы β близка к 1 и для релятивистских частиц ее трудно определить. Поэтому вместо скорости используется быстрота y, которая связана со скоростью соотношением у = (1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E+p)/(E-p)]. Быстрота изменяется от 0 до ∞.

Функциональная связь между скоростью частицы и быстротой показана на рис. 5. Для релятивистских частиц при β → 1, Е → р, тогда вместо быстроты можно использовать псевдобыстроту η, которая определяется углом вылета частицы θ, η = (1/2)ln tan(θ/2). В отличие от скорости быстрота − аддитивная величина, т.е. у 2 = y 0 + y 1 для любой системы отсчета и для любых релятивистских и нерелятивистских частиц.
Магнитный момент μ = Iπr 2 /c, где ток I = ev/2πr, возникает из-за вращения электрического заряда. Таким образом, любая заряженная частица имеет магнитный момент. При рассмотрении магнитного момента электрона используется магнетон Бора
μ B = eћ/2m e c = 0.5788·10 -14 МэВ/Гс, магнитный момент электрона = g·μ B ·. Коэффициент g называется гиромагнитным отношением. Для электрона g = /μ B · = 2, т.к. J = ћ/2, = μ B при условии, что электрон − точечная бесструктурная частица. Гиромагнитное отношение g содержит информацию о структуре частицы. Величина (g − 2) измеряется в экспериментах, направленных на изучение структуры частиц, отличных от лептонов. Для лептонов эта величина свидетельствует о роли более высоких электромагнитных поправок (см. далее п. 7.1).
В ядерной физике используется ядерный магнетон μ я = eћ/2m p c, где m p − масса протона.

2.1.1. Система Хэвисайда и ее связь с системой СГС

В системе Хэвисайда скорость света с и постоянная Планка ћ полагаются равными единице, т.е. с = ћ = 1. Основными единицами измерения являются энергетические единицы − МэВ или МэВ -1 , в то время как в системе СГС основные единицы измерения − [г, см, с]. Тогда, воспользовавшись соотношениями: Е = mc 2 = m = МэВ, l = ћ/mc = МэВ -1 , t = ћ/mc 2 = МэВ -1 , получим связь между системой Хэвисайда и системой СГС в виде:

• m(г) = m(МэВ)·2·10 -27 ,
• l (см) = l (МэВ -1)·2·10 -11 ,
• t (с) = t (МэВ -1)·б.б·10 -22 .

Система Хэвисайда применяется в физике высоких энергий для описания явлений, происходящих в микромире, и основана на использовании естественных констант с и ћ, которые являются определяющими в релятивистской и квантовой механике.
Числовые значения соответствующих величин в системе СГС для электрона и протона приводятся в табл. 3 и могут быть использованы для перехода из одной системы в другую.

Таблица 3. Числовые значения величин в системе СГС для электрона и протона

2.1.2. Планковские (естественные) единицы

При рассмотрении гравитационных эффектов для измерения энергии, массы, длины и времени вводится планковская шкала. Если гравитационная энергия объекта равна его полной энергии, т.е.

то
длина = 1.6·10 -33 см,
масса = 2.2 ·10 -5 г = 1.2·10 19 ГэВ,
время = 5.4·10 -44 с,
где = 6.67·10 -8 см 2 ·г -1 ·с -2 .

Гравитационные эффекты существенны, когда гравитационная энергия объекта сравнима с его полной энергией.

2.2. Классификация элементарных частиц

Понятие "элементарная частица" сформировалось с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне.

Атомы → ядра → нуклоны → партоны (кварки и глюоны)

В современной физике термин "элементарные частицы" употребляется для наименования большой группы мельчайших наблюдаемых частиц материи. Эта группа частиц весьма обширна: протоны р, нейтроны n, π- и K-мезоны, гипероны, очарованные частицы (J/ψ...) и множество резонансов (всего
~ 350 частиц). Эти частицы получили название "адроны".
Выяснилось, что эти частицы не элементарны, а представляют собой составные системы, конституентами которых являются истинно элементарные или, как их стали называть, "фундаментальные " частицы − партоны , открытые при изучении структуры протона. Изучение свойств партонов позволило отождествить их с кварками и глюонами , введенными в рассмотрение Гелл-Манном и Цвейгом при классификации наблюдаемых элементарных частиц. Кварки оказались фермионами со спином J = 1/2. Им были приписаны дробные электрические заряды и барионное число В = 1/3 поскольку барион, у которого В = 1, состоит из трех кварков. Кроме того, для объяснения свойств некоторых барионов возникла необходимость введения нового квантового числа − цвета. Каждый кварк имеет три цветовых состояния, обозначаемые индексами 1, 2, 3 или словами красный (R), зеленый (G) и синий (В). Цвет никак не проявляет себя у наблюдаемых адронов и работает только внутри них.
К настоящему времени открыто 6 ароматов (типов) кварков.
В табл. 4 приведены свойства кварков для одного цветового состояния.

Таблица 4. Свойства кварков

Аромат	Масса, МэВ/с 2	I	I 3	Q q /e	s	с	b	t
u up	330; (5)	1/2	1/2	2/3	0	0	0	0
d down	340; (7)	1/2	-1/2	-1/3	0	0	0	0
s strange	450; (150)	0	0	-1/3	-1	0	0	0
с charm	1500	0	0	2/3	0	1	0	0
b beauty	5000	0	0	-1/3	0	0	-1	0
t truth	174000	0	0	2/3	0	0	0	1

Для каждого аромата кварка указаны его масса (приводятся массы конституентных кварков и в скобках массы токовых кварков), изотопический спин I и 3-я проекция изотопического спина I 3 , заряд кварка Q q /e и квантовые числа s, с, b, t. Наряду с этими квантовыми числами часто используется квантовое число гиперзаряд Y = В + s + с + b+ t. Существует связь между проекцией изотопического спина I 3 , электрического заряда Q и гиперзаряда Y: Q = I 3 + (1/2)Y.
Поскольку каждый кварк имеет 3 цвета, в рассмотрении должны участвовать 18 кварков. Кварки не имеют структуры.
Вместе с тем, среди элементарных частиц оказался целый класс частиц, получивших название "лептоны ". Они также являются фундаментальными частицами, т.е. не имеют структуры. Их шесть: три заряженных е, μ, τ и три нейтральных ν e , ν μ , ν τ . Лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны и кварки с полуцелым спином J = (n+1/2)ћ, n = 0, 1,... . относятся к фундаментальным фермионам. Наблюдается удивительная симметрия между лептонами и кварками: шесть лептонов и шесть кварков.
В табл. 5 приведены свойства фундаментальных фермионов: электрический заряд Q i в единицах заряда электрона и масса частиц m. Лептоны и кварки объединяются в три поколения (I, II и III). Для каждого поколения сумма электрических зарядов ∑Q i = 0 с учетом 3 цветовых зарядов у каждого кварка. Каждому фермиону сответствует антифермион.
Кроме характеристик частиц, указанных в таблице, важную роль для лептонов играют лептонные числа: электронное L e , равное +1 для е - и ν e , мюонное L μ , равное +1 для μ - и ν μ и таонное L τ , равное +1 для τ - и ν τ , которые соответствуют ароматам лептонов, участвующих в конкретных реакциях, и являются сохраняющимися величинами. Для лептонов барионное число В = 0.

Таблица 5. Свойства фундаментальных фермионов

Окружающее нас вещество состоит из фермионов первого поколения ненулевой массы. Влияние частиц второго и третьего поколений проявилось в ранней Вселенной. Среди фундаментальных частиц особую роль играют фундаментальные калибровочные бозоны, имеющие целочисленное внутреннее квантовое число спин J = nћ, n = 0, 1, .... Калибровочные бозоны ответственны за четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное (глюон g), электромагнитное (фотон γ), слабое (бозоны W ± , Z 0), гравитационное (гравитон G). Они также являются бесструктурными, фундаментальными частицами.
В табл. 6 приведены свойства фундаментальных бозонов, являющихся полевыми квантами в калибровочных теориях.

Таблица 6. Свойства фундаментальных бозонов

Название	Заряд	Масса	Спин	Взаимодействия
Гравитон, G	0	0	2	Гравитационное
Фотон, γ	0	< 3·10 -27 эВ	1	Электромагнитное
Заряженные векторные бозоны, W ±	±1	80.419 ГэВ/с 2	1	Слабое
Нейтральный векторный бозон, Z 0	0	91.188 ГэВ/с 2	1	Слабое
Глюоны, g 1 , ... , g 8	0	0	0	Сильное
Хиггсы, Н 0 , H ±	0	> 100 ГэВ/с 2	0

Помимо свойств открытых калибровочных бозонов γ, W ± , Z 0 , g 1 ,... , g 8 в таблице показаны свойства неоткрытых пока бозонов: гравитона G и Хиггс-бозонов Н 0 , H ± .
Рассмотрим теперь наиболее многочисленную группу элементарных сильновзаимодействующих частиц − адронов, для объяснения структуры которых было введено представление о кварках.
Адроны подразделяются на мезоны и барионы. Мезоны построены из кварка и антикварка (q). Барионы состоят из трех кварков (q 1 q 2 q 3).
В табл. 7 приводится перечень свойств основных адронов. (Подробные таблицы см. The European Physical Journal C, Rev. of Particle Phys., v.15, №1 - 4, 2000.)

Таблица 7. Свойства адронов

	Название	Масса, МэВ/с 2	Время жизни, с	Моды распада	Кварковый состав
	Пион π ± 1 - (0 -+) π 0	139.567 134.965	2.6·10 -8 0.83·10 -16	π ± → μ ± + ν π 0 → γ + γ	(u), (d) (u − d)/√2
	η-мезон η 0 0 + (0 -+)	548.8	Г=1.18±0.11 кэВ	η 0 → γ + γ; 3π 0 →π + + π -0 + π --	с 1 (u + d) + c 2 (s)
				(u), (s) (d) (d)
	D ± D 0	1869.3 1864.5	10.69·10 -13 4.28·10 -13	D ± → е ± + X D 0 → е + + X -	(c), (d) (c)
	F ± =	1969.3	4.36·10 -13	→ ρ 0 + π ±	(c, s)
	B ± В 0	5277.6 5279.4	13.1·10 -13 13.1·10 -13	B ± → + π ± В 0 →+ π -0 +	(u), (b) (d), (b)
б	Протон р Нейтрон n	938.3 939.5	> 10 33 лет 898 ±16	n → р + е - +	uud udd
	Λ		2.63·10 -10	Λ→p + π -	uds
	Σ + Σ 0 Σ -	1189.4 1192 1197	0.8·10 -10 5.8·10 -20 1.48·10 -10	Σ + →p + π 0 Σ 0 → Λ+ γ Σ - →n + π -	uus uds dds
	Ξ 0 Ξ -	1314.9 1321	2.9·10 -10 1.64·10 -10	Ξ 0 → Λ+ π 0 Ξ - → Λ + π -	uss dss
	Ω -	1672	0.8·10 -10	Ω - → Λ+ K -	sss
	Σ с		Σ с →+ π →Ξ - π + π + →l - l	ucs usc dsc udb

Кварковая структура адронов позволяет выделить в этой многочисленной группе частиц нестранные адроны, которые состоят из нестранных кварков (и, d), странные адроны, в состав которых входит странный кварк s, чармированные адроны, содержащие с-кварк, прелестные адроны (боттом-адроны) с b-кварком.
В таблице представлены свойства только незначительной части адронов: мезонов и барионов. Показаны их масса, время жизни, основные моды распада и кварковый состав. Для мезонов барионное число В = О и лептонное число L = 0. Для барионов барионное число В = 1, лептон-ное число L = 0. Мезоны относятся к бозонам (целый спин), барионы − к фермионам (спин полуцелый).
Дальнейшее рассмотрение свойств адронов позволяет объединить их в изотопические мультиплеты, состоящие из частиц с одинаковыми квантовыми числами (барионным числом, спином, внутренней четностью, странностью) и близкими по значению массами, но с различными электрическими зарядами. Каждый изотопический мультиплет характеризуется изотопическим спином I, который определяет полное число частиц, входящих в мультиплет, равное 2I + 1. Изоспин может принимать значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2, . .., т.е. возможно существование изотопических синглетов, дублетов, триплетов, квартетов и т.д. Так, протон и нейтрон составляют изотопический дублет, π + -, π - -, π 0 -мезоны рассматриваются как изотопический триплет.
Более сложными объектами в микромире являются атомные ядра. Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Сумма Z + N = А − число нуклонов в данном изотопе. Часто в таблицах приводится усредненная по всем изотопам величина, тогда она становится дробной. Известны ядра, для которых указанные величины находятся в пределах: 1 < А < 289, 1 < Z < 116.
Перечисленные выше частицы рассматриваются в рамках Стандартной Модели. Предполагается, что за пределами Стандартной Модели может существовать еще одна группа фундаментальных частиц − суперсимметричные частицы (SUSY). Они должны обеспечить симметрию между фермионами и бозонами. В табл. 8 приводятся предполагаемые свойства этой симметрии.

2.3. Полевой подход к проблеме взаимодействий

2.3.1 Свойства фундаментальных взаимодействий

Огромное многообразие физических явлений, происходящих при столкновениях элементарных частиц, определяется всего лишь четырьмя типами взаимодействий: электромагнитным, слабым, сильным и гравитационным. В квантовой теории взаимодействие описывается в терминах обмена специфическими квантами (бозонами), ассоциированными с данным типом взаимодействия.
Для наглядного представления взаимодействия частиц американский физик Р. Фейнман предложил использовать диаграммы, которые получили его имя. Диаграммы Фейнмана описывают любой процесс взаимодействия при столкновении двух частиц. Каждая частица, участвующая в процессе, на диаграмме Фейнмана изображается линией. Свободный левый или правый конец линии обозначает нахождение частицы в начальном или конечном состоянии соответственно. Внутренние линии на диаграммах (т.е. линии, не имеющие свободных концов) соответствуют так называемым виртуальным частицам. Это частицы, рождающиеся и поглощающиеся в процессе взаимодействия. Их нельзя зарегистрировать, в отличие от реальных частиц. Взаимодействие частиц на диаграмме изображается узлами (или вершинами). Тип взаимодействия характеризуется константой связи α которая может быть записана в виде: α = g 2 /ћc, где g − заряд источника взаимодействия, а является основной количественнои характеристикой силы, действующей между частицами. В электромагнитном взаимодействии α е = e 2 /ћc = 1/137.

Рис.6. Диаграмма Фейнмана.

Процесс a + b →с + d в виде диаграммы Фейнмана (рис. 6) выглядит следующим образом: R − виртуальная частица, которой обмениваются частицы а и b при взаимодействии, определяемом константой взаимодействия α = g 2 /ћc, характеризующей силу взаимодействия на расстоянии, равном радиусу взаимодействия.
Виртуальная частица может иметь массу М х и при обмене этой частицей происходит передача 4-импульса t = −q 2 = Q 2 .
В табл. 9 представлены характеристики разных типов взаимодействий.

Электромагнитные взаимодействия . Наиболее полно и последовательно изучены электромагнитные взаимодействия, которым подвержены все заряженные частицы и фотоны. Переносчиком взаимодействия является фотон. Для электромагнитных сил константа взаимодействия численно равна постоянной тонкой структуры α е = e 2 /ћc = 1/137.
Примерами простейших электромагнитных процессов являются фотоэффект, комптон-эффект, образование электрон-позитронных пар, а для заряженных частиц − ионизационное рассеяние и тормозное излучение. Теория этих взаимодействий − квантовая электродинамика − является наиболее точной физической теорией.

Слабые взаимодействия. Впервые слабые взаимодействия наблюдались при β-распаде атомных ядер. И, как оказалось, эти распады связаны с превращениями протона в нейтрон в ядре и обратно:
р → n + е + + ν e , n → р + е - + e . Возможны и обратные реакции: захват электрона е - + р → n + ν e или антинейтрино e + р → е + + n. Слабое взаимодействие было описано Энрико Ферми в 1934 г. в терминах четырехфермионного контактного взаимодействия, определяемого константой Ферми
G F = 1.4·10 -49 эрг·см 3 .
При очень высоких энергиях вместо фермиевского контактного взаимодействия слабое взаимодействие описывается как обменное, при котором осуществляется обмен квантом, наделенным слабым зарядом g w (по аналогии с электрическим зарядом) и действующим между фермионами. Такие кванты были впервые обнаружены в 1983 г. на SppS-коллайдере (ЦЕРН) коллективом под руководством Карла Руббиа. Это заряженные бозоны − W ± и нейтральный бозон − Z 0 , их массы соответственно равны: m W± = 80 ГэВ/с 2 и m Z = 90 ГэВ/с 2 . Константа взаимодействия α W в этом случае выражается через константу Ферми:

Таблица 9. Основные типы взаимодействий и их характеристики

Структуры микромира

Ранее элементарными частицами называли частицы, входящие в состав атома и неразложимые на более элементарные составляющие, а именно электроны и ядра.

Позднее было установлено, что ядра состоят из более простых частиц – нуклонов (протонов и нейтронов), которые в свою очередь состоят из других частиц. Поэтому элементарными частицами стали считать мельчайшие частицы материи , исключая атомы и их ядра .

На сегодняшний день открыты сотни элементарных частиц, что требует их классификации:

– по видам взаимодействий

– по временам жизни

– по величине спина

Элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные и фундаментальные (бесструктурные) частицы

Составные частицы

Адроны (тяжелые) – частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на: мезоны – адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами; барионы – адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, – протон и нейтрон, т.е. нуклонов .

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

Лептоны (легкие) – фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10 − 18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино.

Кварки – дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались.

Калибровочные бозоны – частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

– фотон – частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

– восемь глюонов – частиц, переносящих сильное взаимодействие;

– три промежуточных векторных бозона W + , W − и Z 0 , переносящие слабое взаимодействие;

– гравитон – гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

По современным представлениям, к фундаментальным частицам (или «истинно» элементарным частицам), не имеющим внутренней структуры и конечных размеров, относятся :

Кварки и лептоны

Частицы, обеспечивающие фундаментальные взаимодействия: гравитоны, фотоны, векторные бозоны, глюоны.

Классификация элементарных частиц по временам жизни :

- стабильные: частицы, время жизни которых очень велико (в пределе стремится к бесконечности). К ним относятся электроны , протоны , нейтрино . Внутри ядер стабильны также нейтроны, но они нестабильны вне ядра

- нестабильные (квазистабильные): элементарные частицы – это такие частицы, которые распадаются за счет электромагнитного и слабого взаимодействий, и время жизни которых больше 10 –20 сек. К таким частицам относится свободный нейтрон (т.е. нейтрон вне ядра атома)

- резонансы (нестабильные, краткоживущие). К резонансам относятся элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия. Время жизни для них меньше 10 -20 сек.

Классификация частиц по участию во взаимодействиях :

- лептоны : к их числу относятся и нейтроны. Все они не участвуют в водовороте внутриядерных взаимодействий, т.е. не подвержены сильному взаимодействию. Они участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд участвуют и в электромагнитном взаимодействии

- адроны : частицы, существующие внутри атомного ядра и участвующие в сильном взаимодействии. Самые известные из них это протон и нейтрон .

На сегодня известны шесть лептонов :

К одному семейству с электроном относятся мюоны и тау-частицы, которые похожи на электрон, но массивнее его. Мюоны и тау-частицы нестабильны и со временем распадаются на несколько других частиц, включая электрон

Три электрически нейтральных частицы с нулевой (или близкой к нулю, на этот счет ученые пока не определились) массой, получившие название нейтрино . Каждое из трех нейтрино (электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино) парно одному из трех разновидностей частиц электронного семейства.

У самых известных адронов , протонов и нейтрино имеются сотни родственников, которые во множестве рождаются и тут же распадаются в процессе различных ядерных реакций. За исключением протона, все они нестабильны, и их можно классифицировать по составу частиц, на которые они распадаются:

Если среди конечных продуктов распада частиц имеется протон, то его называют барион

Если протона среди продуктов распада нет, то частица называется мезон .

Сумбурная картина субатомного мира, усложнявшаяся с открытием каждого нового адрона, уступила место новой картине, с появлением концепции кварков. Согласно кварковой модели, все адроны (но не лептоны) состоят из еще более элементарных частиц – кварков. Так барионы (в частности протон) состоят из трех кварков, а мезоны – из пары кварк – антикварк.

Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. электрон. позитрон. мюон. нейтрино легкая нейтральная частица, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействии. нейтринный (# поток). кварки. переносчики взаимодействий: фотон квант света …

Запрос «Фундаментальные исследования» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Фундаментальная наука область познания, подразумевающая теоретические и экспериментальные научные исследования основополагающих явлений (в том числе и… … Википедия

Запрос «Элементарные частицы» перенаправляется сюда; см. также другие значения. Элементарная частица собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части. Следует иметь в… … Википедия

Элементарная частица собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие… … Википедия

электрон - ▲ фундаментальная частица имеющий, элемент, заряд электрон отрицательно заряженная элементарная частица с элементарным электрическим зарядом. ↓ … Идеографический словарь русского языка

Элементарная частица собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Нейтрино (значения). электронное нейтрино мюонное нейтрино тау нейтрино Символ: νe νμ ντ Состав: Элементарная частица Семья: Фермионы … Википедия

Тип фундаментальных взаимодействий (наряду с гравитационным, слабым и сильным), который характеризуется участием электромагнитного поля (См. Электромагнитное поле) в процессах взаимодействия. Электромагнитное поле (в квантовой физике… … Большая советская энциклопедия

Одно из наиболее многозначных филос. понятий, которому придается один (или некоторые) из следующих смыслов: 1) то, определяющими характеристиками чего являются протяженность, место в пространстве, масса, вес, движение, инерция, сопротивление,… … Философская энциклопедия

Книги

• Кинетическая теория гравитации и основы единой теории материи , В. Я. Бриль. Все материальные объекты Природы (и вещественные, и полевые) дискретны. Они состоят из элементарных частиц струнообразной формы. Недеформированная фундаментальная струна - полевая частица,…

Еще сравнительно недавно элементарными считались несколько сот частиц и античастиц. Детальное изучение их свойств и взаимодействий с другими частицами и развитие теории показали, что большинство из них на самом деле не элементарны, так как сами состоят из простейших или, как сейчас говорят, фундаментальных частиц. Фундаментальные частицы сами уже ни из чего не состоят. Многочисленные эксперименты показали, что все фундаментальные частицы ведут себя как безразмерные точечные объекты, не имеющие внутренней структуры, по крайней мере до наименьших, изученных сейчас расстояний ~10 -16 см .

Среди бесчисленных и разнообразных процессов взаимодействия между частицами имеются четыре основных или фундаментальных взаимодействия: сильное (ядерное), электромагнитное , слабое и гравитационное . В мире частиц гравитационное взаимодействие очень слабое, его роль еще неясна, и о нем дальше мы говорить не будем.

В природе существуют две группы частиц: адроны , которые участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, и лептоны , не участвующие только в сильном взаимодействии.

Согласно современным представлениям, взаимодействия между частицами осуществляются посредством испускания и последующего поглощения квантов соответствующего поля (сильного, слабого, электромагнитного), окружающего частицу. Такими квантами являются калибровочные бозоны , также являющиеся фундаментальными частицами. У бозонов собственный момент количества движения , называемый спином, равен целочисленному значению постоянной Планка . Квантами поля и соответственно переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны , обозначаемые символом g (джи), квантами электромагнитного поля являются хорошо известные нам кванты света - фотоны, обозначаемые (гамма), а квантами слабого поля и соответственно переносчиками слабых взаимодействий являются W ± (дубль ве)- и Z 0 (зет нуль)-бозоны.

В отличие от бозонов все остальные фундаментальные частицы являются фермионами, то есть частицами, имеющими полуцелое значение спина, равное h /2.

В табл. 1 приведены символы фундаментальных фермионов - лептонов и кварков.

Каждой частице, приведенной в табл. 1, соответствует античастица, отличающаяся от частицы лишь знаками электрического заряда и других квантовых чисел (см. табл. 2) и направлением спина относительно направления импульса частицы. Античастицы мы будем обозначать теми же символами, как и частицы, но с волнистой чертой над символом.

Частицы в табл. 1 обозначены греческими и латинскими буквами, а именно: буквой (ню) - три различных нейтрино, буквами е - электрон, (мю) - мюон, (тау) - таон, буквами u, c, t, d, s, b обозначены кварки ; их наименования и характеристики приведены в табл. 2.

Частицы в табл. 1 сгруппированы в три поколения I, II и III в соответствии со структурой современной теории . Наша Вселенная построена из частиц первого поколения - лептонов и кварков и калибровочных бозонов, но, как показывает современная наука о развитии Вселенной, на начальной стадии ее развития важную роль играли частицы всех трех поколений.

Лептоны	Кварки
I II III e	I II III u d c s t b

Лептоны

Сначала рассмотрим более подробно свойства лептонов. В верхней строке табл. 1 содержатся три разных нейтрино: электронное , мюонное и тау-нейтрино . Их масса до сих пор точно не измерена, но определен ее верхний предел, например для ne равный 10 -5 от величины массы электрона (то есть г).

При взгляде на табл. 1 невольно возникает вопрос о том, зачем природе потребовалось создание трех разных нейтрино. Ответа на этот вопрос пока нет, ибо не создана такая всеобъемлющая теория фундаментальных частиц, которая бы указала на необходимость и достаточность всех таких частиц и описала бы их основные свойства. Возможно, эта проблема будет решена в XXI веке (или позже).

Нижняя строка табл. 1 начинается с наиболее изученной нами частицы - электрона. Электрон был открыт еще в конце прошлого века английским физиком Дж. Томсоном . Роль электронов в нашем мире огромна. Они являются теми отрицательно заряженными частицами, которые вместе с атомными ядрами образуют все атомы известных нам элементов Периодической таблицы Менделеева . В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в атомном ядре, что и делает атом электрически нейтральным.

Электрон стабилен, главной возможностью уничтожения электрона является его гибель при соударении с античастицей - позитроном e + . Этот процесс получил название аннигиляции :

.

В результате аннигиляции образуются два гамма-кванта (так называют фотоны высокой энергии), уносящие и энергии покоя e + и e - , и их кинетические энергии. При высокой энергии e + и e - образуются адроны и кварковые пары (см., например, (5) и рис. 4).

Реакция (1) наглядно иллюстрирует справедливость знаменитой формулы А. Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии: E = mc 2 .

Действительно, при аннигиляции остановившегося в веществе позитрона и покоящегося электрона вся масса их покоя (равная 1,22 МэВ ) переходит в энергию -квантов, которые не имеют массы покоя.

Во втором поколении нижней строки табл. 1 расположен мюон - частица, являющаяся по всем своим свойствам аналогом электрона, но с аномально большой массой. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона. В отличие от электрона мюон нестабилен. Время его жизни t = 2,2 · 10 -6 с. Мюон преимущественно распадается на электрон и два нейтрино по схеме

Еще более тяжелым аналогом электрона является . Его масса более чем в 3 тыс. раз превосходит массу электрона ( МэВ/с 2), то есть таон тяжелее протона и нейтрона. Время его жизни равно 2,9 · 10 -13 с, а из более чем ста разных схем (каналов) его распада возможны следующие.