История и краткий обзор

Элементарные частицы – в точном значении этого слова – первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Это «первообразные сущности», определяющие все наблюдаемые свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах развития естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие элементарной частицы сформировалось в тесной связи с установлением дискретности характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19-20 вв. мельчайших носителей свойств вещества – молекул и атомов – и установление того факта, что молекулы состоят из атомов, позволило впервые описать все наблюдаемые свойства вещества. Открытие составных частей самих атомов и ядер позволило уменьшить число «первочастиц» до 3: электрон, протон и нейтрон. Затем к ним добавился и фотон.

Впоследствии убедились в ограниченной применимости к микромиру выражения «состоит из …».

В современной физике смысл термина «элементарные частицы» менее строгий: это большая группа мельчайших наблюдаемых частиц материи, не являющихся атомами или атомными ядрами, кроме протона, который является ядром атома водорода. Эта группа частиц оказалась весьма обширной. Помимо 4-х указанных, к ней относятся пи -мезоны (π), мюоны (μ), тау -лептоны (τ), нейтрино трех видов (ν_e, ν_μ, ν_τ), т.н. странные частицы (K-мезоны и гипероны), очарованные частицы и красивые (прелестные) частицы (D- и B-мезоны и соответствующие барионы), разнообразные резонансы, в т.ч. мезоны со скрытым очарованием и прелестью (пси -частицы и ипсилон -частицы) и, наконец, открытые в начале 80-х гг. промежуточные векторные бозоны (W, Z) – всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число элементарных частиц непрерывно растет.

Электрон был открыт Д. Томсоном (1897), затем Резерфорд в 1911 г. показал, что заряд сосредоточен в компактных областях – ядрах, а в 1919 г. он обнаружил среди частиц, вылетавших из ядра, протон. Нейтрон был открыт Чедвиком в 1932 г. История открытия квантов: Планк, Эйнштейн, Милликен в 1912-15 гг., Комптон при рассеянии γ-квантов на электронах в 1922.

Нейтрино предположил в 1930 г. В. Паули для устранения трудности с β-радиоактивным распадом и законом сохранения энергии. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено (установлено) в 1956 г. Райнесом и Коуэном.

С 1930 до начала 1950-х гг. изучение элементарных частиц было связано с исследованием космических лучей. К. Андерсоном был обнаружен позитрон (первая античастица). Его существование вытекает из теории Дирака (1928-31 гг.). В 1936 г. К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании космических лучей мюоны обоих знаков. В 1947 г. группой Пауэлла (S. Powell) были открыты π⁺ и π^- -мезоны в 274 раз тяжелее электрона, играющие важную роль во взаимодействии нейтронов с протонами в ядрах. В 1935 г. их существование предположил Хидэки Юкава.

Конец 40-х – начало 50-х гг. ознаменовались открытием странных частиц. Первые частицы этой группы K⁺ и K^- -мезоны, Λ-гипероны были открыты в космических лучах, последующие – на ускорителях заряженных частиц. С начала 50-х ускорители становятся основным инструментом исследования элементарных частиц. Ускоренные протоны и электроны вызывают потоки других частиц, которые регистрируются с помощью сложных детекторов. В 90-х гг. энергии составляли сотни ГэВ (и тысячи к 2000 г.).

С ростом энергии регистрируются все более тяжелые частицы. В том числе неустойчивые – резонансы, которые составляют основную часть элементарных частиц.

В 1974 г. были обнаружены массивные (3-4 протонные массы), в то же время относительно устойчивые частицы пси -частицы, время жизни которых в 10³ раз больше времени жизни резонансов. Они оказываются тесно связанными с новым семейством элементарных частиц – очарованных, первые представители которого были открыты в 1976 г. (D-мезоны и Λ_e-барионы).

В 1977 г. были открыты еще более тяжелые частицы (около 10 масс протона) – ипсилон (Υ) – частицы аномально устойчивые для частиц столь больших масс. Они явились провозвестниками прелестных (красивых) частиц, первые представители которых открыты в 1981-83 гг. (B-мезоны) и Λ_b-барионы – в 1992 г.

В 1962 г. было выяснено, что в природе существует не одно, а, по крайней мере, два нейтрино: ν_e и ν_μ, а в 1975 г. был открыт τ-лептон (почти 2 массы протона), но в остальном повторяющий свойства электрона и мюона. Вскоре стало ясно, что существует тау-нейтрино ν_τ.

Наконец, в 1983 г. на протон-антипротонном коллайдере открыты самые тяжелые элементарные частицы: заряженные промежуточные бозоны W^± (m_W ≈ 80 ГэВ) и нейтральный промежуточный бозон Z⁰ (m_W = 91 ГэВ).

Таким образом, за 100 с лишним лет, прошедших после открытия электрона, выявлено большое число разнообразных микрочастиц. Для их описания кроме электрического заряда, массы, момента количества движения потребовалось много новых характеристик: странность, очарование, красота. Для их описания понадобилась квантовая механика, теория относительности. Затем понадобилась квантовая теория поля, квантовая электродинамика, квантовая мезодинамика (Юкава). В квантовой электродинамике появилась теория перенормировки.

Следующий шаг – калибровочные поля Янга-Миллса, которые включают в себя симметрию взаимодействия.