Какие свойства имеет частица
Запрос «Элементарные частицы» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые на практике невозможно расщепить на составные части[1].
Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы[2]. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы, в том числе частицы, составляющие ядро атома — протоны и нейтроны) имеют сложную внутреннюю структуру, но тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно по причине эффекта конфайнмента.
Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются по экспоненциальному закону с постоянной времени от приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10−24 до 10−22 с для резонансов).
Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.
Все элементарные частицы подчиняются принципу тождественности (все элементарные частицы одного вида во Вселенной полностью одинаковы по всем своим свойствам) и принципу корпускулярно-волнового дуализма (каждой элементарной частице соответствует волна де-Бройля).
Все элементарные частицы обладают свойством взаимопревращаемости, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы и их совокупности, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и др.
Основные характеристики элементарных частиц: время жизни, масса, спин, электрический заряд, магнитный момент, барионный заряд, лептонный заряд, странность, очарование, прелесть, истинность, изотопический спин, чётность, зарядовая чётность, G-чётность, CP-чётность, T-чётность, R-чётность, P-чётность.
Классификация[править | править код]
По времени жизни[править | править код]
Все элементарные частицы делятся на два класса:
- Стабильные элементарные частицы — частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии (протон, электрон, нейтрино, фотон, гравитон и их античастицы).
- Нестабильные элементарные частицы — частицы, распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии за конечное время (все остальные частицы).
По массе[править | править код]
Все элементарные частицы делятся на два класса:
- Безмассовые частицы — частицы с нулевой массой (фотон, глюон).
- Частицы с ненулевой массой (все остальные частицы).
По величине спина[править | править код]
Все элементарные частицы делятся на два класса:
- бозоны — частицы с целым спином[3] (например, фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса);
- фермионы — частицы с полуцелым спином[3] (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино).
По видам взаимодействий[править | править код]
Элементарные частицы делятся на следующие группы:
Составные частицы[править | править код]
- Адроны — 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.
Фундаментальные (бесструктурные) частицы[править | править код]
- Лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть 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. Известны 6 типов лептонов.
- Кварки — дробно заряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
- 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 Z0, 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.
Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.
Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, предсказанный в 1964 году и обнаруженный в 2012 году на Большом адронном коллайдере.
Размеры элементарных частиц[править | править код]
Несмотря на большое разнообразие элементарных частиц, их размеры укладываются в две группы. Размеры адронов (как барионов, так и мезонов) составляют около 10−15 м, что близко к среднему расстоянию между входящими в них кварками. Размеры фундаментальных, бесструктурных частиц — калибровочных бозонов, кварков и лептонов — в пределах погрешности эксперимента согласуются с их точечностью (верхний предел диаметра составляет около 10−18 м) (см. пояснение). Если в дальнейших экспериментах окончательные размеры этих частиц не будут обнаружены, то это может свидетельствовать о том, что размеры калибровочных бозонов, кварков и лептонов близки к фундаментальной длине (которая весьма вероятно[4] может оказаться планковской длиной, равной 1,6·10−35 м).
Следует отметить, однако, что размер элементарной частицы является достаточно сложной концепцией, не всегда согласующейся с классическими представлениями. Во-первых, принцип неопределённости не позволяет строго локализовать физическую частицу. Волновой пакет, представляющий частицу как суперпозицию точно локализованных квантовых состояний, всегда имеет конечные размеры и определённую пространственную структуру, причём размеры пакета могут быть вполне макроскопическими — например, электрон в эксперименте с интерференцией на двух щелях «чувствует» обе щели интерферометра, разнесённые на макроскопическое расстояние. Во-вторых, физическая частица меняет структуру вакуума вокруг себя, создавая «шубу» из кратковременно существующих виртуальных частиц — фермион-антифермионных пар (см. Поляризация вакуума) и бозонов-переносчиков взаимодействий. Пространственные размеры этой области зависят от калибровочных зарядов, которыми обладает частица, и от масс промежуточных бозонов (радиус оболочки из массивных виртуальных бозонов близок к их комптоновской длине волны, которая, в свою очередь, обратно пропорциональна их массе). Так, радиус электрона с точки зрения нейтрино (между ними возможно только слабое взаимодействие) примерно равен комптоновской длине волны W-бозонов, ~3×10−18 м, а размеры области сильного взаимодействия адрона определяются комптоновской длиной волны легчайшего из адронов, пи-мезона (~10−15 м), выступающего здесь как переносчик взаимодействия.
История[править | править код]
Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, то есть не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.
Таким образом, физики продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) применяется термин «фундаментальные частицы».
В активно разрабатываемой примерно с середины 1980-х теории струн предполагается, что элементарные частицы и их взаимодействия являются следствиями различных видов колебаний особо малых «струн».
Стандартная модель[править | править код]
Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W— и Z-бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса, отвечающий за наличие инертной массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью — например, такие, как гравитон (частица, гипотетически переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц. Всего модель описывает 61 частицу[5].
Фермионы[править | править код]
12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них — кварки. Другие шесть — лептоны, три из которых являются нейтрино, а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон, мюон и тау-лептон.
Античастицы[править | править код]
Также существуют 12 фермионных античастиц, соответствующих вышеуказанным двенадцати частицам.
Кварки[править | править код]
Основная статья: Кварк
Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии — это объясняется явлением конфайнмента. На основании симметрии между лептонами и кварками, проявляемой в электромагнитном взаимодействии, выдвигаются гипотезы о том, что эти частицы состоят из более фундаментальных частиц — преонов.
Неизвестные частицы[править | править код]
По мнению большинства физиков, существуют неизвестные доселе типы частиц из которых состоит тёмная материя[6]
См. также[править | править код]
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Лоуренс Краусс. Почему мы существуем. Величайшая из когда-либо рассказанных историй = Krauss. The Greatest Story Ever Told — So Far: Why Are We Here?. — М.: Альпина Нон-фикшн, 2018. — ISBN 978-5-91671-948-2.
- Главный редактор А. М. Прохоров. Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.
Ссылки[править | править код]
- Хроника открытий в физике ядра и частиц, подготовленная сотрудниками физического факультета МГУ им М. В. Ломоносова
- Физика элементарных частиц на Scientific.ru
- Полная таблица элементарных частиц, подготовленная Particle Data Group (англ.)
- Физика элементарных частиц — в мире, в ИЯФ, на кафедре ФЭЧ
- Имена: поэзия элементарных частиц
Для того чтобы объяснить свойства и поведение элементарных частиц, их приходится наделять, кроме массы, электрического заряда и типа, рядом дополнительных, характерных для них величин (квантовых чисел), о которых мы поговорим ниже.
Элементарные частицы обычно подразделяются на четыре класса. Помимо этих классов, предполагается существование ещё одного класса частиц – гравитонов (квантов гравитационного поля). Экспериментально эти частицы ещё не обнаружены.
Дадим краткую характеристику четырем классам элементарных частиц.
К одному из них относится только одна частица – фотон.
Фотоны 
(кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействием.
Второй класс образуют лептоны, третий – адроны и, наконец, четвертый – калибровочные бозоны (табл. 2)
Таблица 2
Элементарные частицы | |||
Лептоны | Калибровочные бозоны | Адроны | |
| | Барионы | Мезоны |
n, p, гипероны и др. Барионные резонансы |
и др. Мезонные резонансы | ||
Лептоны (греч. «лептос» – лёгкий) — частицы, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. К ним относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны ( 
), мюоны ( 
), таоны ( 
), а также электронные нейтрино ( 
), мюонные нейтрино ( 
) и тау-нейтрино ( 
). Все лептоны имеют спины, равные 1/2 
, и следовательно являются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (т.е. мюоны и электроны), обладают также и электромагнитным взаимодействием. Нейтрино участвуют только в слабых взаимодействиях.
Адроны (греч. «адрос» – крупный, массивный) — частицы, участвующие в сильных, электромагнитных и слабых взаимодействиях. Сегодня известно свыше сотни адронов и их подразделяют на барионы и мезоны.
Барионы — адроны, состоящие из трёх кварков (qqq) и имеющие барионное число B = 1.
Класс барионов объединяет в себе нуклоны (p, n) и нестабильные частицы с массой большей массы нуклонов, получившие название гиперонов ( 
). Все гипероны обладают сильным взаимодействием, и следовательно активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен 
1/2 , так что барионы являются фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде бариона, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барионного заряда.
Мезоны — адроны, состоящие из кварка и антикварка ( 
) и имеющие барионное число B = 0.
Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежат 
-мезоны или пионы ( 
), K-мезоны, или каоны ( 
), и 
-мезоны. Массы 
и мезонов одинакова и равна 273,1 
, 
264,1 время жизни, соответственно, 
и 
с. Масса К-мезонов составляет 970 . Время жизни К-мезонов имеет величину порядка 
с. Масса эта-мезонов 1074 , время жизни порядка 
с. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.
Калибровочные бозоны — частицы, осуществляющие взаимодействие между фундаментальными фермионами (кварками и лептонами). Это частицы W+, W–, Z0 и восемь типов глюонов g. Сюда же можно отнести и фотон γ.
Свойства элементарных частиц
Каждая частица описывается набором физических величин – квантовых чисел, определяющих её свойства. Наиболее часто употребляемые характеристики частиц следующие.
Масса частицы, m. Массы частиц меняются в широких пределах от 0 (фотон) до 90 ГэВ (Z-бозон). Z-бозон — наиболее тяжелая из известных частиц. Однако могут существовать и более тяжелые частицы. Массы адронов зависят от типов входящих в их состав кварков, а также от их спиновых состояний.
Время жизни, τ. В зависимости от времени жизни частицы делятся на стабильные частицы, имеющие относительно большое время жизни, и нестабильные.
К стабильным частицам относят частицы, распадающиеся по слабому или электромагнитному взаимодействию. Деление частиц на стабильные и нестабильные условно. Поэтому к стабильным частицам принадлежат такие частицы, как электрон, протон, для которых в настоящее время распады не обнаружены, так и π0-мезон, имеющий время жизни τ = 0.8×10-16 с.
К нестабильным частицам относят частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия. Их обычно называют резонансами. Характерное время жизни резонансов — 10-23-10-24 с.
Спин J. Величина спина измеряется в единицах ħ и может принимать 0, полуцелые и целые значения. Например, спин π-, К-мезонов равен 0. Спин электрона, мюона равен 1/2. Спин фотона равен 1. Существуют частицы и с большим значением спина. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака, с целым спином — Бозе–Эйнштейна.
Электрический заряд q. Электрический заряд является целой кратной величиной от е = 1,6×10-19 Кл, называемой элементарным электрическим зарядом. Частицы могут иметь заряды 0, ±1, ±2.
Внутренняя четность Р. Квантовое число Р характеризует свойство симметрии волновой функции относительно пространственных отражений. Квантовое число Р имеет значение +1, -1.
Наряду с общими для всех частиц характеристиками, используют также квантовые числа, которые приписывают только отдельным группам частиц.
Квантовые числа: барионное число В, странность s, очарование (charm) с, красота (bottomness или beauty) b, верхний (topness) t, изотопический спин I приписывают только сильновзаимодействующим частицам — адронам.
Лептонные числа Le, Lμ, Lτ. Лептонные числа приписывают частицам, образующим группу лептонов. Лептоны e, μ и τ участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны νe, nμ и nτ участвуют только в слабых взаимодействиях. Лептонные числа имеют значения Le, Lμ, Lτ = 0, +1, -1. Например, e-, электронное нейтрино ne имеют Le = +l; 
, 
имеют Le = — l. Все адроны имеют 
.
Барионное число В. Барионное число имеет значение В = 0, +1, -1. Барионы, например, n, р, Λ, Σ, нуклонные резонансы имеют барионное число В = +1. Мезоны, мезонные резонансы имеют В = 0, антибарионы имеют В = -1.
Странность s. Квантовое число s может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 и определяется кварковым составом адронов. Например, гипероны Λ, Σ имеют s = -l; K+- , K–- мезоны имеют s = + l.
Charm с. Квантовое число с может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие с = 0, +1 и -1. Например, барион Λ+ имеет с = +1.
Bottomness b. Квантовое число b может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружены частицы, имеющие b = 0, +1, -1. Например, В+-мезон имеет b = +1.
Topness t. Квантовое число t может принимать значения -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. В настоящее время обнаружено всего одно состояние с t = +1.
Изоспин I. Сильновзаимодействующие частицы можно разбить на группы частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковое значение спина, чётности, барионного числа, странности и др. квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях) — изотопические мультиплеты. Величина изоспина I определяет число частиц, входящих в один изотопический мультиплет, n и р составляет изотопический дуплет I = 1/2; Σ+, Σ-, Σ0, входят в состав изотопического триплета I = 1, Λ — изотопический синглет I = 0, число частиц, входящих в один изотопический мультиплет, 2I + 1.
G— четность — это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременной операции зарядового сопряжения с и изменения знака третьего компонента I изоспина. G-четность сохраняется только в сильных взаимодействиях.