08. Элементарные частицы. Античастицы. Кварки

Классификация элементарных частиц

История физики элементарных частиц берет свое начало в 90-х годах прошлого столетия, когда в 1897 г. Дж. Томсоном был открыт электрон (). В 1919 году Резерфордом было доказано, что в состав любого ядра атома входит протон (). В 1932 году появилось сообщение английского физика Дж. Чедвика об открытии нейтрона ().

В 1928 году английский физик Дирак предположил, что у каждой элементарной частицы должна быть соответствующая античастица. То есть элементарные частицы рождаются только парами: частица – античастица. Это предположение было подтверждено в 1932 году, когда в космических лучах зарегистрировали позитрон – античастицу по отношению к электрону. В дальнейшем были открыты античастицы всем известным элементарным частицам.

Через некоторое время возникли теории, которые объясняли строение атомного ядра. Согласно этим теориям в состав атомных ядер также должны входить частицы, которые осуществляют обменное взаимодействие между открытыми ранее протоном, нейтроном и электроном, они получили название -мезонов. Эти предполагаемые частицы были открыты в промежуток с 1947 по 1950 год (-мезоны,-мезоны). Также было предположение о существовании нейтрального -мезона (-мезоны), но он был открыт значительно позднее, так как в отличие от стабильных частиц (электрон, протон, нейтрон), время жизни которых было большим (время жизни протона), такие частицы, как-мезоны, живут очень короткое время (время жизни-мезона).

В итоге было открыто около 400 элементарных частиц. В их многообразии прослеживается более или менее стройная система классификации (см. рис. 1). Элементарные частицы объединены в три основные группы: фотоны, лептоны, адроны.

К группе фотонов относится единственная элементарная частица – фотон, которая была открыта Эйнштейном в 1905 году.

К группе лептонов относятся частицы, масса которых порядка электронных масс (электрон, электронное нейтрино; мюон, мюонное нейтрино; тау-лептон, тау-нейтрино; соответствующие античастицы).

Адроны являются самыми распространёнными и самыми тяжёлыми частицами. Они делятся на две группы: мезоны и барионы

Величины, характеризующие элементарные частицы. Формула Гелл-Манна – Нишиджимы

Каждая элементарная частица характеризуется следующими величинами:

1.– электрический заряд;

2. – масса частицы (МэВ);

3.– время жизни (секунды или года);

4.– лептонный заряд (особое квантовое число, характеризующее лептоны);

5.– барионный заряд (особое квантовое число, характеризующее барионы);

6.– спин (квантовое число, определяющее соответствующую характеристику элементарной частицы, складываемую с её импульсом по правилу сложения векторов);

7.– изотопический спин. Элементарные частицы можно сгруппировать в мультиплеты (совокупность элементарных частиц, обладающих сходными свойствами). Количество членов мультиплета характеризует изотопический спин:

Для примера, у протона и нейтрона изотопический спин равен:

Следовательно:

Поэтому нуклон представлен двумя состояниями – протоном и нейтроном.

Для пионов изотопический спин, следовательно, количество пионов равно 3 () – это-мезоны,-мезоны,-мезоны.

8. S – странность (квантовое число, необходимое для описания некоторых короткоживущих частиц). Эту характеристику ввели Гёлл-Манн и Нишиджима в 1954 году для объяснения того, что некоторые элементарные частицы всегда рождаются парами, а также для объяснения аномально долгого времени жизни некоторых элементарных частиц.

9. C – очарование.

10. b – красота.

Американский физик Гёлл-Манн и японский физик Нишиджима для характеристики адронов ввели понятие гиперзаряда ().

 ,

где B – барионный заряд; S – странность; C – очарование; b – красота.

Гиперзаряд определяет заряд отдельно взятой частицы по формуле Гелл-Манна – Нишиджимы:

 ,

где– третья проекция изотопического спина.

Например, для нуклонов изотопический спин равен, поэтому проекция равнаБарионный заряд:Остальные внутренние квантовые числа равны нулю. Следовательно, гиперзаряд:Согласно формуле, заряд нуклона может быть равен:

, что соответствует протону ()

Или– заряд нейтрона ()

Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц

Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц подразделяются на четыре вида: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное (см. табл. 1)

Если интенсивность сильного взаимодействия принять за единицу, то интенсивность электромагнитного будет порядкаот сильного взаимодействия между частицами, слабого –, гравитационного –

Теория кварков

В начале 60 годов XIX столетия было обнаружено более сотни сильновзаимодействующих элементарных частиц адронов. Появилось сомнение, что эти частицы не отражают предельной элементарности. В 1964 году М. Галл-Манн и независимо от него Д. Цвейг предложили теорию кварков как более фундаментальных частиц. На данный момент количество кварков равно 6.

Кварк – составная частица любого адрона. Обозначаются кварки, где α – это «цвет» кварка (дополнительная внутренняя характеристика). В таблице 2 представлены характеристики кварков.

Кварки несут дробный электрический заряд, который составляет либо, либозаряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спинКварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк – антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы – барионы; наиболее известные барионы – нейтрон и протон. Более легкие пары кварк – антикварк образуют частицы, получившие название мезоны.

В настоящее время большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами.

Таким образом, количество фундаментальных элементарных частиц на данный момент равно:

1 фотон + 12 лептонов + 36 кварков (учитывая антикварки и «цвета» кварков) + 8 глюоны (элементарные частицы, являющиеся причиной взаимодействия кварков) = 57.

Список литературы

1. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика 11 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010. 

2. Касьянов В. А. Физика. 11 кл.: Учеб. для общеобразоват. учреждений. – М.: Дрофа, 2005.

3. Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков. Физика: Оптика. Квантовая физика. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики – М.: Дрофа, 2002

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «newtheory.ru» (Источник)

2. Интернет-портал «physics.ru» (Источник)

3. Интернет-портал «bibliotekar.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. Вопросы (2, 3, 6) в конце параграфа 115 (стр. 336); – Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин. Физика 11 (см. список рекомендованной литературы)

2. Назовите фундаментальные взаимодействия элементарных частиц.

3. Перечислите частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий.

4. Какие величины характеризуют элементарные частицы?