Характеристики элементарных частиц

Сравнительная сила взаимодействий элементарных частиц.

Гравитационное взаимодействие.

Гравитационное взаимодействие доминирует в случае больших макроскопических масс (планет, звёзд). Но в мире элементарных частиц, ввиду малости их масс, даже на самых малых характерных для них расстояниях порядка 10^-13см это взаимодействие ничтожно мало. В физике элементарных частиц при современном её состоянии гравитационное взаимодействие не учитывается. Оно возможно существенно лишь на расстояниях порядка 10^-33см.

«Силу» различных классов взаимодействий элементарных частиц можно приближённо охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант связи для соответствующих взаимодействий. Для перечисленных выше взаимодействий протонов при энергиях ~1 ГэВ эти параметры соотносятся как 1:10^-2:10^-10:10^-38.

Каждая элементарная частица описывается набором дискретных значений определённых физических величин, которые называются квантовыми числами элементарных частиц. Общими характеристиками всех элементарных частиц является масса m, время жизни t, спин J, и электрический заряд Q.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон (t > 5×10²¹ лет), протон (t > 10³¹ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитного и слабого взаимодействий; их времена жизни t > 10^-20 с. Резонансами называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия; их характерные времена жизни 10^-22 - 10^-24 с.

Помимо указанных выше квантовых характеристик, общих для всех элементарных частиц, последние дополнительно характеризуются ещё рядом квантовых чисел, которые называются «внутренними». Лептоны несут специфический лептонный заряд (L): электронный L_e,равный +1 для электрона и электронного нейтрино, мюонный L_m, равный +1 для m^- и мюонного нейтрино n_m и L_t, связанный с t - лептоном. Для адронов L =0.

Адронам с полуцелым спином приписывают барионный заряд В. Адроны с В =+1 образуют подгруппу барионов, а с В =0 – подгруппу мезонов. Для лептонов В =0. Для фотона В =0 и L =0.

Адроны подразделяются на обычные (нестранные) частицы (протон, нейтрон, p-мезоны), странные частицы «очарованные» и «красивые» частицы. Этому делению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S, «очарования» С, и «красоты» b. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению к сильному взаимодействию, но с различными значениями электрического заряда. Элементарные частицы, входящие в каждое такое семейство (простейший пример которого – протон и нейтрон), имеют общее квантовое число - изотопический спин I), принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Семейства называются изотопическими мультиплетами. Число частиц в мультиплете равно 2 I + 1; они отличаются друг от друга значением «проекции» изотопического спина I ₃, и соответствующие значения их электрических зарядов даются обобщённой формулой Гелл-Мана – Нишиджимы:

(10.1)

где Y=B+S+C+b+t – гиперзаряд адрона.

Для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из квантовых чисел Q, L, B, S, C, b, t существуютантичастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина и для адронов –изотопического спина, но с противоположной по знаку проекцией I ₃ и всех квантовых чисел, указанных в формуле гиперзаряда.

Частицы, тождественные своим античастицам, называются истинно нейтральными. Истинно нейтральные адроны обладают специфическим квантовым числом – зарядовой чётностью С со знаком ±1; примеры таких частиц – фотон, p⁰-мезон, Т- частицы.

Квантовые числа элементарных частиц разделяются на точные, т. е. сохраняющиеся во всех процессах, и неточные, которые в ряде процессов не сохраняются. Спин J –точное квантовое число. На уровне современных знаний точными являются и квантовые числа Q, L, B, хотя теоретически допустимы нарушения сохранения L и B. Большинство квантовых чисел адронов неточные. Изотопический спин, сохраняясь в сильном взаимодействии, не сохраняется в слабом. Странность, «очарование», «красота» сохраняются в сильном и электромагнитном взаимодействиях, но не сохраняются в слабом. Слабое взаимодействие изменяет также внутреннюю и зарядовую чётности. Причины несохранения квантовых чисел адронов неясны и, по-видимому, связаны со структурой электромагнитного и слабого взаимодействий.