Классификация элементарных частиц

План:

1. Структура элементарных частиц.

2. Характеристики элементарных частиц.

Фермионы. Бозоны. До 1932 г. были известны три элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон, а также фотон, переносящий электромагнитное воздействие. Казалось, что из этих частиц можно построить целостную картину материального мира. Протоны и нейтроны, образующие ядро, вместе с электронами составляют атомы, из атомов комбинируются молекулы, которые, объединяясь друг с другом, образуют вещество.

Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части.

Ряд элементарных частиц (например, адроны) имеет сложную внутреннюю структуру, но разделить их на части оказывается невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут рассматриваться как первичные фундаментальные частицы.

Фундаментальные частицы – бесструктурные элементарные частицы, которые до настоящего момента времени не удалось описать как составные.

Фермионы – частицы с полуцелым спином: К фермионам относятся, например, электрон , протон , нейтрон , электронное нейтрино .

Бозоны – частицы с целым спином: …. К бозонам относятся, например, фотон , -мезон.

Для распределения фермионов по возможным энергетическим состояниям справедлив принцип Паули.

Принцип Паули: В одном и том же энергетическом состоянии могут находиться не более двух фермионов с противоположными спинами.

Для бозонов принципа Паули не существует, поэтому в одном энергетическом состоянии может находиться любое количество бозонов.

Античастицы. Элементарные частицы существуют в двух разновидностях: частицы и античастицы. В этом состоит принцип зарядового сопряжения: для каждой элементарной частицы должна существовать античастица.

Античастица (элементарной частицы а) – элементарная частица, имеющая (по отношению к а) равную массу покоя, одинаковый спин, время жизни и противоположный заряд.

Первая античастица была обнаружена в 1932 г. К. Андерсоном[6]. Фотографируя траекторию частиц космических лучей в камере Вильсона (в которой в месте пролета заряженной частицы образуются ионы и конденсируется пар, заполняющий камеру), Андерсон обнаружил трек, принадлежащий частице с массой электрона. В перпендикулярном магнитном поле частица двигалась по окружности радиуса:

Античастица электрона (антиэлектрон) была названа позитроном (от лат. positivus – положительный) и получила обозначение .

В 1947 г. был обнаружен антипион , в 1955 г. – антипротон, а в 1956 г. антинейтрон и т. д. Были получены атомы антидейтерия, антитрития и антигелия, у которых отрицательно заряжены ядра и оболочка из позитронов.

Антивещество – вещество, построенное из антинуклонов и позитронов. Истинно нейтральной частицей является фотон, совпадающий со своей античастицей. При столкновении частицы и античастицы они исчезают (аннигилируют).

Аннигиляция – процесс взаимодействия элементарной частицы с ее античастицей, в результате которого они превращаются в гамма-кванты (фотоны) электромагнитного поля или другие частицы.

Например, при столкновении электрона и позитрона обе частицы исчезают, а рождаются два гамма-кванта (фотона):

Образование только одного гамма-кванта невозможно из-за необходимости одновременного выполнения законов сохранения импульса и энергии. Минимальная энергия рождающихся гамма-квантов составляет:

При аннигиляции протона и антипротона выделяется энергия, примерно в 2000 раз большая, при аннигиляции вещества – почти в 1000 раз большая, чем при термоядерном взрыве.

Фундаментальные частицы взаимопревращаются – они могут как исчезать, так и рождаться.

Рождение пары – процесс, обратный аннигиляции. Электрон-позитронная пара может возникнуть, например, при взаимодействии -кванта с веществом. Одновременное рождение заряженных частиц противоположного знака свидетельствует о соблюдении закона сохранения заряда для реакции:

Электрически нейтральный квант превращается в частицы, общий заряд, которых равен нулю. Для рождения пары -кванта должна быть достаточная минимальная энергия: . При больших энергия возможно рождение частиц большей массы.

Лептонный заряд. Наиболее удобной систематикой многочисленных элементарных частиц явилась их классификация по видам взаимодействий, в которых они участвуют. Все частицы, обладающие массой, гравитационно взаимодействуют друг с другом.

По отношению к сильному взаимодействию все элементарные частицы делятся на две большие группы: адроны (от греч. hardos – большой, сильный) и лептоны (от греч. leptos – легкий).

Адроны – элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии.

Лептоны – фундаментальные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии.

К лептонам относят 12 частиц (6 частиц и 6 античастиц). Все лептоны являются фермионами – они обладают полeцелыми спинами . В реакциях слабого взаимодействия лептонов участвуют лептон-нейтринные дублеты. Соответствующее нейтрино всегда возникает в реакции вместе с определенным лептоном. Для выделения класса лептонов вводят квантовое число – лептонный заряд . Для лептонов , для антилептонов , для адронов .

Закон сохранения лептонного заряда. Сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется.

Лептонный заряд электрона и электронного нейтрино , образующих первый лептонный дублет, равен единице, а позитрона и электронного антинейтрино равен -1. Например, для реакции β^- - распада закон сохранения лептонного заряда имеет вид: 0=0+1-1.

Второй лептонный дублет образует отрицательно заряженный мюон μ^- и мюонное нейтрино v_μ. Мюон был открыт в 1936 г. в космических лучах (на 1 см² поверхности Земли каждую минуту попадает один мюон) и по своим свойствам он напоминает тяжелый электрон. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона. Через 2,2 мкс мюон распадается на электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино, отличающегося от электронного. Лептонный заряд мюона и мюонного нейтрино :

Для реакции распада мюона выполняется закон сохранения лептонного заряда: .

Античастицам соответствует лептонный заряд .

Слабое взаимодействие лептонов. Любое взаимодействие обусловлено обменом виртуальных частиц. Сильное взаимодействие нуклонов обеспечивается обменом -мезоном. Зная радиус сил слабого взаимодействия , можно приблизительно оценить массу виртуальной частицы – переносчика слабого взаимодействия.