ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ , в узком смысле - частицы, к-рые нельзя считать Состоящими из других частиц. В совр. физике термин "элементарные частицы" используют в более широком смысле: так наз. мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине элементарные частицы называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами.
Э лементарные частицы участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс элементарных частиц их гравитационное взаимод. обычно не учитывается. Все элементарные частицы разделяют на три осн. группы. Первую составляют т. наз. бозоны- переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость распространения физ. воздействия и является одной из фундам. физ. постоянных; принято, что с = (299792458 1,2) м/с.
Вторая группа элементарных частиц - лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон , электронное нейтрино , мюон , мюонное нейтрино , тяжелый-лептон и соответствующее нейтрино . Электрон (символ е) считается материальным носителем наименьшей массы в природе m с, равной 9,1 x 10 -28 г (в энергетич. единицах 0,511 МэВ) и наименьшего отрицат. электрич. заряда е = 1,6 x 10 -19 Кл. Мюоны (символ) - частицы с массой ок. 207 масс электрона (105,7 МэВ) и электрич. зарядом, равным заряду электрона ; тяжелый-лептон имеет массу ок. 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа нейтрино - электронное (символ v c), мюонное (символ) и-нейтрино (символ) - легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы.
Все лептоны имеют спин ( - постоянная Планка), т. е. по статистич. св-вам являются фермионами (см. Статистическая термодинамика).
Каждому из лептонов соответствует античастица , имеющая те же значения массы, спина и др. характеристик, но отличающаяся знаком электрич. заряда. Существуют позитрон (символ е +) - античастица по отношению к электрону , положительно заряженный мюон (символ) и три типа антинейтрино (символ), к-рым приписывают противоположный знак особого квантового числа, наз. лептонным зарядом (см. ниже).
Третья группа элементарных частиц,- адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу электрона . Это наиб. многочисленная группа элементарных частиц. Адроны делятся на барионы - частицы со спином мезоны - частицы с целочисленным спином (О или 1); а также т. наз. резонансы - короткоживущие возбужденные состояния адронов. К барионам относят протон (символ р) - ядро атома водорода с массой, в ~ 1836 раз превышающей m с и равной 1,672648 x 10 -24 г (938,3 МэВ), и положит. электрич. зарядом, равным заряду электрона , а также нейтрон (символ n) - электрически нейтральная частица, масса к-рой немного превышает массу протона . Из протонов и нейтронов построены все ядра атомные , именно сильное взаимод. обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют одинаковые св-ва и рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы - нуклона с изотопич. спином (см. ниже). Барионы включают и гипероны - элементарные частицы с массой больше нуклонной:-гиперон имеет массу 1116 МэВ,-гиперон- 1190 МэВ,-гиперон -1320 МэВ,-гиперон- 1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами протона и электрона (-мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положит. и отрицат. элементарным электрич. зарядом). Все мезоны по своим сгатистич. св-вам относятся к бозонам.

Основные свойства элементарных частиц. Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений физ. величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех элементарных частиц - масса, время жизни, спин , электрич. заряд.
В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности совр. измерений) являются: электрон (время жизни более 5 -10 21 лет), протон (более 10 31 лет), фотон и нейтрино . К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимод., их времена жизни более 10 -20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимод., их характерные времена жизни 10 -22 -10 -24 с.
Внутренними характеристиками (квантовыми числами) элементарных частиц являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундам. взаимод. Для лептонных нейтрино и их античастиц L имеют противоположные знаки; для барионов В = 1, для соответствующих античастиц В = -1.
Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные) адроны - протон , нейтрон ,-мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными св-вами по отношению к сильному взаимод., но с разл. значениями электрич. заряда; простейший пример -протон и нейтрон . Общее квантовое число для таких элементарных частиц - т. наз. изотопич. спин , принимающий, как и обычный спин , целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения1.
Важное св-во элементарных частиц - их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или др. взаимодействий. Один из видов взаимопревращений - т. наз. рождение пары , или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае - образование пары элементарных частиц с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар е - е + , мюонных пар новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb-состояний (см. ниже). Другой вид взаимопревращений элементарных частиц - аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц и 3 фотона - при суммарном спине , равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).
При определенных условиях, в частности при невысокой скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной системы - позитрония е - е + и мюония Эти нестабильные системы, часто наз. водородоподобными атомами , их время жизни в в-ве в большой степени зависит от св-в в-ва, что позволяет использовать водородоподобные атомы для изучения структуры конденсир. в-ва и кинетики быстрых хим. р-ций (см. Мезонная химия , Ядерная химия).

Кварковая модель адронов. Детальное рассмотрение квантовых чисел адронов с целью их классификации позволило сделать вывод о том, что странные адроны и обычные адроны в совокупности образуют объединения частиц с близкими св-вами, названные унитарными мультиплетами. Числа входящих в них частиц равны 8 (октет) и 10 (декуплет). Частицы, входящие в состав унитарного мультиплета, имеют одинаковые спин и внутр. четность, но различаются значениями электрич. заряда (частицы изотопич. мультиплета) и странности. С унитарными группами связаны св-ва симметрии , их обнаружение явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из к-рых построены адроны,-кварков. Считают, что адроны представляют собой комбинации 3 фундам. частиц со спином 1 / 2: и-кварков, d-кварков и s-кварков. Так, мезоны составлены из кварка и антикварка, барионы - из 3 кварков.
Допущение, что адроны составлены из 3 кварков, было сделано в 1964 (Дж. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман). В дальнейшем в модель строения адронов (в частности, для того чтобы не возникало противоречия с принципом Паули) были включены еще 2 кварка - "очарованный" (с) и "красивый" (b), а также введены особые характеристики кварков - "аромат" и "цвет". Кварки, выступающие как составные части адронов, в свободном состоянии не наблюдались. Все многообразие адронов обусловлено разл. сочетаниями и-, d-, s-, с- и b-кварков, образующих связные состояния. Обычным адронам (протону , нейтрону ,-мезонам) соответствуют связные состояния, построенные из и- и d-кварков. Наличие в адроне наряду с и- и d-кварками одного s-, с- или b-кварка означает, что соответствующий адрон - "странный", "очарованный" или "красивый".
Кварковая модель строения адронов подтвердилась в результате экспериментов, проведенных в кон. 60-х - нач.
70-х гг. 20 в. Кварки фактически стали рассматриваться как новые элементарные частицы- истинно элементарные частицы для адронной формы материи. Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер и дает основания предполагать, что они являются теми элементарными частицами, к-рые замыкают цепь структурных составляющих в-ва. Существуют теоретич. и эксперим. доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия или, иначе говоря, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц в-ва. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления материи.

Краткие исторические сведения. Первой открытой элементарной частицей был электрон - носитель отрицат. электрич. заряда в атомах (Дж. Дж. Томсон, 1897). В 1919 Э. Резерфорд обнаружил среди частиц, выбитых из и К-мезоны (группа С. Пауэлла, 1947; существование подобных частиц было предположено X. Юкавой в 1935). В кон. 40-х - нач. 50-х гг. были обнаружены "странные" частицы. Первые частицы этой группы - К + - и К - -мезоны, Л-гипероны - были зафиксированы также в космич. лучах.
С нач. 50-х гг. ускорители превратились в осн. инструмент исследования элементарных частиц. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти--гиперон (1960), а в 1964 - самый тяжелый W -гиперон. В 1960-х гг. на ускорителях обнаружили большое число крайне неустойчивых резонансов. В 1962 выяснилось, что существуют два разных нейтрино : электронное и мюонное. В 1974 обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые (по сравнению с обычными резонансами) частицы, к-рые оказались тесно связанными с новым семейством элементарных частиц - "очарованных", их первые представители открыты в 1976. В 1975 обнаружен тяжелый аналог электрона и мюона --лептон, в 1977 - частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981 - "красивые" частицы. В 1983 открыты самые тяжелые из известных элементарных частиц - бозоны (масса80 ГэВ) и Z° (91 ГэВ).
Т. обр., за годы, прошедшие после открытия электрона , выявлено огромное число разнообразных микрочастиц. Мир элементарных частиц оказался сложно устроенным, а их св-ва во многих отношениях неожиданными.

Лит.: Коккедэ Я., Теория кварков, [пер. с англ.], М., 1971; Марков М. А., О природе материи, М., 1976; Окунь Л.Б., Лептоны и кварки, 2 изд., М., 1990.

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.

Нестабильные элементарные частицы

Все остальные элементарные частицы нестабильны, то есть самопроизвольно распадаются на другие частицы в свободном состоянии. Экспериментально установлено, что вероятность распада нестабильной элементарной частицы не зависит от продолжительности её существования и времени наблюдения за ней. Предсказать момент распада данной элементарной частицы невозможно. Можно предсказать лишь среднее время жизни большого числа частиц одного вида . Вероятность P {\displaystyle P} того, что частица распадется в течение ближайшего короткого промежутка времени δ t {\displaystyle \delta t} равна δ t τ {\displaystyle {\frac {\delta t}{\tau }}} и зависит лишь от постоянной τ {\displaystyle \tau } и не зависит от предыстории. Этот факт является одним из подтверждений принципа тождественности элементарных частиц . Получаем уравнение для зависимости числа частиц от времени: N P = N δ t τ = − δ t d N d t {\displaystyle NP={\frac {N\delta t}{\tau }}=-\delta t{\frac {dN}{dt}}} , d N d t = − N τ {\displaystyle {\frac {dN}{dt}}=-{\frac {N}{\tau }}} . Решение этого уравнения имеет вид : , где N 0 {\displaystyle N_{0}} - число частиц в начальный момент . Таким образом, время жизни нестабильной элементарной частицы является случайной величиной с экспоненциальным законом распределения .

Нестабильность частиц является одним из проявлений свойства взаимопревращаемости частиц, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Распад нестабильных элементарных частиц происходит вследствие их взаимодействия с нулевыми колебаниями того поля, которое ответственно за их распад. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и др.

Время жизни элементарных частиц

Важной характеристикой элементарных частиц, наряду с массой, спином, электрическим зарядом является её время жизни. Временем жизни называется постоянная τ {\displaystyle \tau } в законе экспоненциального распада: N (t) = N 0 exp ⁡ (− t / τ) {\displaystyle N(t)=N_{0}\exp(-t/\tau)} . Например, время жизни нейтрона τ n = 880 {\displaystyle \tau _{n}=880} сек, время жизни заряженного пи-мезона τ π + = 2 , 6033 (5) × 10 − 8 {\displaystyle \tau _{\pi ^{+}}=2,6033(5)\times 10^{-8}} сек. Время жизни τ {\displaystyle \tau } нестабильных частиц зависит от вида взаимодействия, вызывающего их распад . Наибольшие времена жизни имеют элементарные частицы, чей распад вызван слабым взаимодействием (нейтрон - 880 {\displaystyle 880} сек, мюон - 2 , 2 × 10 − 6 {\displaystyle 2,2\times 10^{-6}} сек, заряженный пион - 2 , 6 × 10 − 8 {\displaystyle 2,6\times 10^{-8}} сек, гиперон - 10 − 10 − 10 − 8 {\displaystyle 10^{-10}-10^{-8}} сек, каон - 1 , 2 × 10 − 8 {\displaystyle 1,2\times 10^{-8}} сек). Меньшие времена жизни имеют элементарные частицы, чей распад вызван электромагнитным взаимодействием (нейтральный пион - 8 , 2 × 10 − 17 {\displaystyle 8,2\times 10^{-17}} сек, эта-мезон - 5 , 1 × 10 − 19 {\displaystyle 5,1\times 10^{-19}} сек). Наименьшие времена жизни имеют резонансы - 10 − 24 − 10 − 22 {\displaystyle 10^{-24}-10^{-22}} сек.

Для короткоживущих частиц (резонансов) вместо времени жизни используется ширина, обладающая размерностью энергии: Γ = ℏ τ {\displaystyle \Gamma ={\frac {\hbar }{\tau }}} . Это следует из соотношения неопределённостей между энергией и временем Δ E Δ t ≈ ℏ {\displaystyle \Delta E\Delta t\approx \hbar } . Например, масса нуклонной изобары Δ {\displaystyle \Delta } равна 1236 Мэв, а её ширина - 120 Мэв ( τ ≈ 5 × 10 − 24 {\displaystyle \tau \approx 5\times 10^{-24}} с), что составляет около 10% от массы .

Вероятность распада ω {\displaystyle \omega } характеризует интенсивность распада нестабильных частиц и равна доле частиц некоторого ансамбля, распадающейся в единицу времени: ω = 1 τ {\displaystyle \omega ={\frac {1}{\tau }}} , где τ {\displaystyle \tau } - время жизни элементарной частицы .

Многие элементарные частицы имеют несколько способов распада. В этом случае общая вероятность распада частицы за некоторое время равна сумме вероятностей распада по различным способам: 1 τ = 1 τ 1 + 1 τ 2 + . . . + 1 τ N {\displaystyle {\frac {1}{\tau }}={\frac {1}{\tau _{1}}}+{\frac {1}{\tau _{2}}}+...+{\frac {1}{\tau _{N}}}} , где N {\displaystyle N} - число способов распада, τ {\displaystyle \tau } - время жизни. Относительная вероятность распада по i {\displaystyle i} -му способу равна: P i = 1 τ i 1 τ {\displaystyle P_{i}={\frac {\frac {1}{\tau _{i}}}{\frac {1}{\tau }}}} . Независимо от числа типов её распада, элементарная частица всегда имеет только одно время жизни τ {\displaystyle \tau } .

Время жизни элементарной частицы τ {\displaystyle \tau } и её период полураспада T 1 / 2 {\displaystyle T_{1/2}} связаны соотношением: T 1 / 2 = ln ⁡ 2 τ = 0 , 693 τ {\displaystyle T_{1/2}=\ln {2}\tau =0,693\tau }