Характеристики элементарных частиц

Для описания свойств элементарных частиц вводят ряд физических величин, значения которых определяют характеристики данной частицы. Наиболее общие характеристики частиц следующие: масса, спин , электрический заряд Q, магнитный момент , время жизни t. Другие характеристики элементарных частиц будут рассмотрены в последующих подразделах.

Масса определяет запас энергии в частице. В физике элементарных частиц масса частиц (согласно соотношению Эйнштейна W=mc²) обычно выражается в энергетических единицах МэВ или ГэВ. Масса покоя известных элементарных частиц колеблется в широких пределах: от нуля (фотон) до 100 m_p где m_p = 938.3 МэВ – масса протона.

Спин – собственный момент импульса элементарной частицы, имеющий квантовую природу и не связанный с вращением частицы как целого. Спин измеряется в единицах , т.е. , где s – спиновое квантовое число. У мезонов s=0, у лептонов и барионов спин полуцелый. Таким образом, мезоны относятся к бозонам и подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна, а лептоны и барионы являются фермионами и, следовательно, подчиняются статистике Ферми–Дирака.

Проекция спина на любое фиксированное направление z может принимать значения –s, -s+1,…, +s. Таким образом, частица со спином s может находиться в 2 s+1 спиновых состояниях (например, при s=1/2 – в двух состояниях). Модуль вектора , согласно квантовой механике равен .

Электрический заряд Q – внутренняя характеристика элементарной частицы, определяющая её способность к электромагнитному взаимодействию. Поскольку электрические заряды могут быть как положительными, так и отрицательными, то электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами может иметь характер как притяжения, так и отталкивания.

Электрический заряд всех частиц, существующих в свободном состоянии, принимает целочисленные значения Q=ne, где ; e=1.6×10^-19 Кл – элементарный заряд.

Магнитный момент отдельных элементарных частиц с ненулевой массой покоя характеризует их взаимодействие с внешним магнитным полем.

Магнитный момент частицы и её спин связаны соотношением

где g – гиромагнитное соотношение (см.§ 19.2). Частицы с нулевым спином не имеют магнитного момента. Наличие электрического заряда у частицы не является необходимым условием существования у неё магнитного момента – некоторые электрически нейтральные частицы (например, нейтрон n) имеют отличные от нуля магнитные моменты, что можно объяснить неравномерным распределением заряда внутри таких частиц.

Магнитный момент считается положительным если g>0, т.е. в этом случае , в противном случае (g<0) магнитный момент является отрицательным и .

Магнитный момент элементарных частиц обычно выражают в единицах соответствующих магнетонов , где m – масса частицы. Для электрона (m=m­_e) величина называется магнетоном Бора , а для протона (m=m_p­) значение представляет собой ядерный магнетон .

Время жизни t элементарных частиц – мера их стабильности. Величина t известных элементарных частиц колеблется от ~ 10^-24 с до бесконечности. В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Стабильными являются электрон, протон, фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, рождающихся за счёт электромагнитного и слабого взаимодействий; их время жизни с. Примером квазистабильной частицы является нейтрон, у которого время жизни t=896 с (см. таблицу 37.1). Нестабильные частицы рождаются под действием сильного взаимодействия. К ним относятся резонансы с характерным временем жизни 10^-24 – 10^-23 с.

Другие характеристики элементарных частиц специфичны, т.е. присущи отдельным видам частиц, выделенным внутри адронов, и будут рассмотрены в последующих подразделах.