Лептоны

Лептоны (греч. «лептос» – лёгкий) − частицы участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях, но не учасвующие в сильном взаимодействии. В настоящее время установлено существование шести заряженных лептонов: электрон , позитрон , мюоны , тяжелые лептоны (таоны) , и соответствующих им шести нейтральных частиц: электронные нейтрино и антинейтрино , мюонные и , таонные и . Нейтральные лептоны не участвуют в электромагнитном взаимодействии. Все лептоны имеют спины, равные и, следовательно, являются фермионами. Лептоны подразделяются на три поколения (семейства): и , с каждым из которых связывают равное 1 особое квантовое число, присущее только лептонам, – лептонное число (лептонный заряд) . Все лептоны на современном уровне можно назвать истинно элементарными частицами, так как у них не обнаружена внутренняя структура. В этом смысле лептоны называют точечными частицами. Попытки определить размеры лептонов показали, что верхний предел составляет 10^{-18 м.}

Электрон – самая лёгкая из всех заряженных элементарных частиц, носитель отрицательного элементарного заряда . Открыт в 1897 г. Дж. Томсоном при изучении катодных лучей. Масса электрона кг. Спин электрона равен ½, он подчиняется статистике Ферми-Дирака. Электрон – стабильная частица, его время жизни превышает 2∙10²² лет. В 1932 г. в составе космических лучей К.Андерсоном был обнаружен позитрон – первая открытая античастица. Существование позитрона непосредственно вытекает из релятивистской теории электрона, развитой П.Дираком в 1928 – 1931 гг.

Мюоны (устаревшее название – мю-мезоны) – заряженные элементарные частицы и со спином ½, временем жизни 2,2∙10^-6 с и массой, приблизительно в 207 раз превышающей массу электрона. В 1936 г. Обнаружены в космических лучах К.Андерсоном и С.Неддермейером.

В 1975 г. в Стенфорде в опытах на встречных электрон-позитронных пучках в результате аннигиляции был открыт тау-лептон:

Масса тау-лептона равна 1,8 ГэВ, время жизни 5∙10^-13 с. По своим свойствам напоминает электрон и мюон.

Идея о существовании нейтрино принадлежит В.Паули (1930 г.), что позволило устранить трудности с законом сохранения импульса в процессах бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено в 1956 г. Ф.Райнесом и К.Коуэном. В 1962 г. было выяснено, что в природе существуют два типа нейтрино – электронное и мюонное. После открытия тау-лептона стало ясно, что с ним связан еще один тип нейтрино.

Нейтрино (символ ) – лёгкая электрически нейтральная не обладающая цветом элементарная частица со спином ½. Нейтрино участвует в слабом взаимодействии, по статистическим свойствам является фермионом. Наблюдаются нейтрино трёх типов: электронные , мюонные и нейтрино в соответствии наличием трёх типов заряженных лептонов. Нейтрино каждого типа имеет антинейтрино По экспериментальным данным масса нейтрино не превышает нескольких десятков электрон-вольт. Нейтрино – стабильная частица. Нейтрино являются наиболее распространенными частицами во Вселенной. Отличительным свойством нейтрино является исключительно большая проникающая способность. Не участвуя в сильном и электромагнитном взаимодействиях, они легко проникают через вещество. Нейтрино испускаются при превращениях атомных ядер и в распадах частиц. Особый интерес для ученых представляют солнечные нейтрино. Поскольку при превращении четырех протонов в ядро гелия рождаются два нейтрино, в недрах Солнца в результате термоядерных реакций ежесекундно генерируются 1,8∙10³⁸ нейтрино. Пройдя сквозь огромную толщу солнечного вещества, нейтрино сохраняют всю ту информацию, которую они получили в термоядерных реакциях в недрах Солнца. Плотность потока солнечных нейтрино, падающих на поверхность Земли, равна 6,6∙10¹⁰ нейтрино на 1 см² в 1 с. Измерение потока нейтрино, падающих на Землю, позволяет судить о процессах, происходящих внутри Солнца.

Адроны

Адроны (от греч. «адрос» – крупный, массивный) – элементарные частицы, участвующие в сильном, электромагнитном и слабом взаимодействиях. Эти частицы составляют наиболее многочисленную группу элементарных частиц – их более 300. Массы адронов по порядку величины близки к массе протона, иногда превышая ее в несколько раз. Минимальную массу среди адронов имеет пи-мезон, он в семь раз легче протона. Адроны имеют сложное внутреннее строение и на самом деле не могут рассматриваться как элементарные.

Адроны характеризуются барионным числом (или барионным зарядом). Адроны с барионным образуют подгруппу барионов (сюда входят протон, нейтрон, гипероны; очарованные и прелестные барионы; барионные резонансы). Протоны и нейтроны (нуклоны) – самые легкие барионы. Протон – единственный стабильный барион. Все остальные барионы нестабильны. Нестабильные барионы с массами, большими массы протона, и временами жизни 10^-19 - 10^-10 с называются гиперонами.

Адроны с барионным числом образуют подгруппу мезонов ( - мезоны, - мезоны, очарованные и прелестные мезоны, бозонные резонансы). Изученные адроны подразделяются на обычные (нестранные) частицы (протон, нейтрон, - мезоны), странные частицы (гипероны, - мезоны), очарованные ( - мезоны, - барионы, пси-частицы) и прелестные (ипсилон-частицы, - мезоны, - барионы) частицы. Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности очарования (шарма) и прелести (красоты) . Для обычных частиц для странных частиц для очарованных частиц для прелестных Наряду с этими квантовыми числами часто используется также квантовое число гиперзаряд

Исторически первым открытым адроном был протон (1919 г., Резерфорд). Протон [от греч. protos – первый] (символ ) – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода. Масса 1,6726∙10^{-27 кг 939,3 МэВ. Электрический заряд протона положительный: 1,6∙10-19} Кл. Спин протона равен ½, поэтому он подчиняется статистике Ферми-Дирака. Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, число протонов в ядре равно атомному номеру данного элемента и определяет место элемента в периодической системе элементов Менделеева.

Другая частица, входящая в состав атомного ядра, – нейтрон – была открыта в 1932 г. Дж. Чедвиком. Нейтрон () [от лат neuter – ни тот, ни другой] – элементарная частица с нулевым электрическим зарядом, массой покоя 1,6749∙10^{-27 кг (939,565 МэВ). Наряду с протоном под общим названием нуклон входит в состав атомных ядер. Имеет спин ½, подчиняется статистике Ферми-Дирака (является фермионом). Принадлежит к семейству адронов; обладает барионным числом = +} 1, т.е. входит в группу барионов. Открыт в 1932 г. Дж. Чедвиком. В свободном состоянии нейтрон нестабилен, самопроизвольно распадается, превращаясь в протон с испусканием электрона и антинейтрино: Время жизни нейтрона – 896 с.

В 1947 г. в космических лучах группой С.Пауэлла были открыты - и - мезоны. Пи-мезоны ( мезоны, пионы) – группа сильно взаимодействующих элементарных частиц (адронов), состоящая из и частиц. Масса – 139,57 МэВ, время жизни – 2,6∙10^-8 с. Масса – 134,96 МэВ, время жизни – 0,87∙10^-16 с. Спин пионов равен 0, т.е. они относятся к классу бозонов. Пионы рассматриваются как кванты поля ядерных сил, осуществляющих связь нуклонов в атомных ядрах.

В конце 40-х – начале 50-х гг. в космических лучах открыли большую группу частиц с необычными свойствами – - и -мезоны, - гипероны, получивших название «странные». Последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях заряженных частиц. К – мезоны (каоны) – семейство из двух электрически заряженных и двух нейтральных мезонов (адронов) с массами около половины массы нуклона, нулевым спином, со временем жизни 10^-10 – 10^-8 с. Гипероны – барионы с отличным от нуля значением странности, распадающиеся благодаря слабому (или электромагнитному) взаимодействию и имеющие вследствие этого времена жизни на много порядков превышающие характерное время сильного взаимодействия. Гипероны относят к квазистабильным частицам. Гипероны являются адронами и имеют полуцелый спин. Первые гипероны были открыты в 1947 г. космических лучах, остальные – на ускорителях. К гиперонам относятся частицы.

Было установлено, что - мезоны и гипероны рождаются при столкновении адронов высоких энергий, их рождение связано с сильным взаимодействием, для которого характерно время 10^-23 с. Предполагалось, что и время жизни этих частиц должно быть порядка 10^-23 с. Однако экспериментально установили, что время жизни гиперонов порядка 10^-8 – 10^-10 с, что свидетельствовало об их распаде за счет слабого взаимодействия. Это казалось странным, поэтому эти частицы назвали странными. Было также установлено, что странные частицы рождаются только парами, например:

Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, в 1953 г. К.Нишиджима и М.Гелл-Манн ввели в рассмотрение новое квантовое число странность сохраняющееся при сильных взаимодействиях. Частицам приписали следующие значения странности:

-, -, - мезоны – странность

-, - гипероны – странность

- гипероны – странность

- гиперон – странность

Ввод в строй ускорителей с энергиями в миллиарды эВ позволил открыть тяжелые античастицы: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма гиперон (1960). В 1964 г. была открыта самая тяжелая частица из группы гиперонов – - гиперон с массой около двух масс протона. Начиная с 60-х гг. ХХ века с помощью ускорителей выявлено большое число крайне неустойчивых частиц, получивших название резонансов, масса большинства которых превышает массу протона.

В 1976 г. было открыто семейство новых элементарных частиц, принадлежащих к адронам, получивших название очарованных: очарованные мезоны и и очарованный барион . Для описания свойств этих частиц Дж. Бьёркен и Ш.Глэшоу предложили ввести новое квантовое число очарование В 1981 – 1983 гг. были открыты - мезоны с массой более 5 ГэВ, в 1992 г. открыт - барион массой 5,6 ГэВ, для. Эти частицы относятся к семейству прелестных, или красивых, для описания которых Х.Харари ввел квантовое число – красота или прелесть.

Исследования адронов выявили наличие среди них семейств частиц, одинаковым образом участвующих в сильном взаимодействии, имеющих приблизительно одинаковые массы, одни и те же барионное число, спин, четность, странность и другие квантовые числа и отличающиеся только электрическим зарядом. Такие семейства получили название изотопических мультиплетов. Например, дублет нуклонов (протон и нейтрон), триплет пи-мезонов (). Частицы, входящие в мультиплет, характеризуются одинаковым квантовым числом – изотопическим спином. Изотопический спин (изоспин) – неаддитивное квантовое число, одинаковое для всех адронов, образующих изотопический мультиплет. Изотопический спин определяет число частиц , входящих в мультиплет: . Для дублета нуклонов для триплета пионов В процессах сильного взаимодействия изотопический спин сохраняется. С математической точки зрения группировка адронов в изотопические мультиплеты отражает наличие у сильного взаимодействия симметрии, связанной с группой вращения (с унитарной группой – группой преобразований в комплексном двумерном пространстве).

Странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими свойствами, чем изотопические мультиплеты. Их называют супермультиплетами. Частицы, входящие в супермультиплет, имеют одинаковые значения спина и четности . Число частиц, входящих в супермультиплеты, равно 8 и 10. Примеры супермультиплетов:

(,

().

На рисунке приведен спектр масс восьми барионов, имеющих спин и четную волновую функцию. Октет барионов представляет собой супермультиплет, состоящий из отдельных групп частиц, для каждой из которых странность имеет вполне определенное значение. В 1961 г. М.Гелл-Манн и Ю.Нееман предположили, что наличие супермультиплетов является проявлением у сильного взаимодействия симметрии более широкой, чем , а именно симметрии унитарной группы группы преобразований в трехмерном комплексном пространстве. Эта симметрия получила название унитарной симметрии. Математическая структура представлений унитарной группы привела к заключению о существовании у адронов особых структурных элементов – кварков.