Нет лекции от 7 декабря

Классификация частиц (лекция 14.12.11)

По величине спинов все элементарные частицы делятся на фермеоны имеющие полуцелый спин и бозоны, имеющие целый спин. Важнейшей характеристикой частиц является их масса покоя. По этому параметру все частицы подразделяются на 3 класса: барионы, мезоны и лептоны. Вне этих трёх классов остаётся фотон. Барионы и мезоны называют по признаку их участия в сильном взаимодействии адронами.

При характеристике частиц важнейшее значение придаётся тому типу взаимодействия, в котором они участвуют. Речь идёт о сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях с учётом того, что все частицы участвуют в гравитационных взаимодействиях.

К барионам относятся протон, нейтрон, гипероны, а также часть резонансов, т.е. частиц временных и промежуточных. Из всех этих частиц стабильной является только протон. Все барионы являются фермеонами, масса их больше массы протона, а так называемый барионный заряд равен +1. Барионы участвуют во всех типах взаимодействий.

Мезоны не обладают барионным зарядом, являются бозонами, а также нестабильными частицами, подобно барионам, мезоны участвуют во всех типах взаимодействий.

К лептонам относятся электрон, мюон и нейтрино. Мюоны являются фермеонами, не участвуют в сильных взаимодействиях и обладают так называемым лептонным зарядом.

Особо следует выделить фотон, который по своим свойствам не относится ни к лептонам, ибо не обладает лептонным зарядом, ни к адронам, так как не участвует в сильных взаимодействиях. Фотон участвует в электромагнитных взаимодействиях, его спин равен 1, а масса покоя тождественно равна нулю.

Если частица обладает ненулевым значением какого-либо из квантовых чисел, то у неё непременно есть «двойник», т.е. античастица с противоположными знаками указанных чисел. У «двойников» одни и те же значения массы, времени жизни, спина и даже изоспина. При встрече друг с другом частица и античастица аннигилируют, т.е. превращаются в чистую энергию (в излучение).

В особый класс элементарных частиц выделяются кванты – переносчики взаимодействий: фотон (электромагнитное взаимодействие), W’+ W’- W’0 – мезоны (слабое взаимодействие), глюоны (сильное взаимодействие), гравитоны (гравитационное взаимодействие). Особо выделяется класс кварков, обладающих, в отличие от «подлинных» элементарных частиц, дробными величинами барионного электрического заряда. Все частицы, участвующие в сильном взаимодействии состоят из кварков.

Типы взаимодействий

В обычной жизни человек постоянно подвержен электромагнитным и гравитационным силам. Соответственно эти силы известны нам давно. Их теоретическое описание в конце-концов вылилось в классическую электродинамику Максвелла и общую теорию относительности Энштейна.

Что касается сильных и слабых взаимодействий, то они стали известны лишь в первой трети XX века в связи с изучением радиоактивности и осмыслением результатов бомбардировок атомов различных элементов альфа-частицами. Соответствующие рассуждения привели физиков к убеждению, что протоны и нейтроны находятся в ядрах атомов, будучи очень сильно связанными друг с другом. Эти связи и есть так называемые сильные взаимодействия. С другой стороны, радиоактивные вещества испускают α-, β-, и ɣ-лучи.

Когда была создана первая достаточно адекватная экспериментальным данным теория, пришлось предположить наличие в ядрах атомов незначительных по своим интенсивностям взаимодействий, которые и стали называть слабыми.

Соотносительная сила различных типов взаимодействий зависит от энергии частиц и некоторых других факторов, а также меняется от одной ситуации к другой. Чтобы представить е в более-менее отчётливой форме подсчитывают силу взаимодействия двух протонов, а протоны участвуют во всех типах взаимодействий при энергии 1 Гэв. В таком случае, для отношений интенсивностей получается следующая пропорция: сильное взаимодействие: электромагнитное взаимодействие: слабое взаимодействие: гравитационное взаимодействие = 1: 10’-2: 10’-10: 10’-38.

Иначе говоря, по своей интенсивности электромагнитные взаимодействия уступают сильным в 100 раз, слабые – в 10 миллиардов раз, а гравитационные – в 10’38 раз. По мере увеличения расстояния между частицами взаимодействие между ними убывает. Однако 2 силы (электромагнитные и гравитационные) уменьшаются плавно. Принципиально по-другому обстоят дела с сильным и слабым взаимодействиями, которые ограниченны очень малыми расстояниями (10’-13 – сильные 10’-16 – для слабых). Их влияние за границами атомов отсутствует. На расстояниях, сравнимых с размерами атомов (10’-8 см.) господствуют уже электромагнитные силы, влияние же гравитационных ничтожно мало. Вследствие этого поведение электронов в составе оболочек атомов, молекул, а значит и химические связи определяются исключительно электромагнитными взаимодействиями и только в большом космическом мире, начиная с планетных масштабов, господствующими и ответственными за структуру большого космоса являются гравитационные взаимодействия.