Внутренние свойства элементарных частиц

Классификация показала, что необходимо вводить дополнительные характеристики частиц для объяснения законов взаимодействия. Перечисляя законы сохранения, мы ввели много новых для нас характеристик, таких, как лептонные и барионные числа, странность и др. Рассмотрим каждую из этих характеристик.

Лептонное квантовое число L. Лептонное квантовое число характеризует закон сохранения лептонов. Все нелептоны имеют лептонное число, равное нулю (L = 0), т. е. лептоннонейт­ральны. Все частицы – лептоны имеют L=+1, лептоны – античастицы L= - 1, и для всех лептонов выполняется закон сохранения лептонного заряда ∆ L = 0. В связи с существованием двух типов нейтрино вводятся для частиц L=+1 и для античастиц L= - 1. Эксперимент подтверждает закон сохранения лептонного заряда. Можно определить лептонное число системы элементарных частиц как разность между числом лептонов и антилептонов в этой системе. Лептоны всегда возникают парами: леп­тон — антилептон.

Барионное квантовое число В — квантовое число, характеризующее закон сохранения барионов. Если принять, что все частицы – барионы обладают зарядом В= +1, а все частицы – небарионы обладают зарядом В= - 1, то выполняется закон сохранения барионного заряда, согласно которому барионное число любой изолированной системы является постоянной величиной. Из закона сохранения барионного числа ∆В = 0 следует, что антибарион может рождаться только в паре с барионом. Барионный и лептонный заряды сохраняются во всех процессах с элементарными частицами и называются точными зарядами. Все барионы (за исключением протона) — нестабильные части­цы.

Наряду с точными зарядами вводятся не вполне точные квантовые числа: изотопический спин Т, не сохраняющийся в электромагнитных взаимодействиях; внутренняя четность Р; странность S (или гиперзаряд); шарм С и красота, не сохра­няющейся в процессах, вызываемых слабыми взаимодействия­ми.

Изотопический спин Т — эталонная величина, определяющая число частиц в группе, называемой зарядовым мультиплетом. Известно, что существуют сильновзаимодействующие частицы, имеющие в основном одинаковые свойства: одинаковые спины, четности, почти одинаковую массу и одинаковые сильные взаимодействия, но различающиеся электрическим зарядом, например: протон и нейтрон (р, n); π-мезоны (π⁺, π⁻, π°), Гейзенберг ввел понятие изотопического спина Т для того, чтобы различить протон от нейтрона в ядерных взаимодейтсвиях. Изотопический спин определяет число частиц в зарядовых мультиплетах. N=2T+1. Изотопи­ческая инвариантность означает симметрию сильных вза­имодействий, не связанную с общими свойствами пространства и времени.

Странность S – аддитивное положительное квантовое число, характеризующее свойства элементарных частиц по отношению к сильным и электромагнитным взаимодействиям. Изучение гиперонов показало, что гипероны рождаются в сильных взаимодействиях и распадаются в слабых взаимодействиях, этот факт вызвал недовольство среди физиков и они ввели новое квантовое число – странность. Гелл - Манн предположил, что для гиперона существует дополнительный закон – закон сохранения странности.

Итак отметим в каких взаимодействиях участвуют элементарные частицы.

Кварки участвуют в электромагнитных взаимодействиях, излучая или поглощая γ-квант, при этом не изменяется ни цвет, ни тип (аромат) кварков:

Вершина электромагнитного взаимодействия кварков

Кварки участвуют в слабых взаимодействиях излучая или поглощая W± бозоны, при этом изменяется тип (аромат) кварка, цвет кварка остаётся без изменения

Вершина слабого взаимодействия кварков

Кварки участвуют в сильных взаимодействиях, излучая или поглощая глюон, при этом изменяется цвет кварка, но его тип (аромат) остаётся неизменным

Вершина сильного взаимодействия

Глюоны в отличие от фотонов обладают цветом, поэтому для них наряду с одноглюонным обменом возможны процессы испускания глюона глюоном и взаимодействия двух глюонов.

Взаимодействие глюонов ответственно за удержание кварков внутри адрона. В отличие от константы электромагнитного взаимодействия, константа сильного цветного взаимодействия растет с увеличением расстояния между кварками, что приводит к принципиально новому поведению системы кварков и глюонов.

При увеличении расстояния между кварками и глюонами, их энергия взаимодействия растёт. В результате свободные кварки и глюоны в природе не наблюдаются. Они «заперты» внутри бесцветных адронов. Это явление носит название конфайнмента.