Элементарные частицы. Краткая классификация и свойства частиц

Элементарные частицы

Естественно начать рассмотрение структуры материи с самых «мелких» структурных единиц, существование которых в настоящее время установлено. Такие частицы получили название элементарных, как более неделимых (их структура не обнаруживается), и как фундаментальных, из которых состоит материя.

Классификация элементарных частиц. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, составляют семейство адронов. Это барионы (протон р , нейтрон n ), гипероны (λ, Σ и др.), мезоны (π-; k -), а также большая группа так называемых резонансных частиц (резонансов). Барионы обладают полуцельми спинами, мезоны - целыми. Барионы отличаются от мезонов так называемым барионным зарядом, в связи с чем превращения барионов в мезоны запрещены законом сохранения барионного заряда. Это важное свойство, которое обеспечивает стабильность ядер и, следовательно, всего окружающего мира. Действительно, если бы являющиеся барионами нуклоны (протон и нейтрон) могли превращаться в мезоны, то атомные ядра в итоге распались бы. Адроны не являются истинно элементарными частицами, т. е. имеют внутреннюю структуру. Этим объясняется в частности нестабильность большинства из адронов.

На сегодня можно считать доказанным существование истинно фундаментальных бесструктурных частиц, образующих адроны. Эти частицы называются кварками (Гелл-Манн. Цвейг, 1963). Они пока экспериментально не обнаружены, предположительно потоки, что не существуют по отдельности, т. е. в свободном состоянии. Известно, что заряд кварков кратен 1/3е , а спин равен 1/2. Предполагается существование шести типов кварков, различающихся по характеристике, называемой «ароматом» (верхний, нижний, очарованный, странный, истинный, прелестный); каждый кварк характеризуется еще и определенным квантовым числом - «цветом» (красный, зеленый, голубой). Все барионы состоят из трех кварков (протон, например из двух верхних с зарядами +2/Зе и одного нижнего с зарядом - 1/Зе ). По «цвету» тройка кварков «подбирается» так, чтобы протон был «белым». Мезоны состоят из кварка и антикварка.

Все остальные частицы (кроме фотона), не участвующие в сильных взаимодействиях, названы лептонами. Семейство лептонов представлено шестью бесструктурными («точечными») частицами: электрон е , мюон μ, тау-лептон (таон) τ и соответствующие этим частицам нейтрино (v e , v μ , v τ).

Согласно принципу кварк-лептон ной симметрии каждому лептону соответствует определенный кварк (табл. 5.2).

Таблица 5.2.

Таким образом, кварки и лептоны на сегодняшний день наряду с частицами-переносчиками взаимодействий считаются истинно элементарными (фундаментальными) частицами. Из лептонов и кварков первого поколения вместе с фотонами построена современная Вселенная. Полагают, что частицы второго и третьего поколений играли важную роль в ранней Вселенной, в первые мгновения Большого Взрыва, при этом различия между кварками и лептонами не существовало.

Основные характеристики элементарных частиц . Одной из важнейших характеристик элементарных частиц является стабильность, т. е. способность определенное время (время жизни) находиться в свободном состоянии. Среди экспериментально обнаруженных частиц лишь немногие стабильны. Неограниченно долго в свободном состоянии могут существовать протон, электрон, фотон и, как считается, нейтрино всех типов. Все другие частицы, стремясь перейти в состояние с минимальной энергией, более или менее быстро распадаются, достигая конечного устойчивого состояния. Самое короткое время жизни (~10 -23 с) у резонансных частиц. Нейтрон в свободном состоянии существует ~10 3 с. В семействе лептонов мюон «живет» ~10-6 с, таон ~10 -12 с.

Предполагается, что в Природе короткоживущие элементарные частицы играют определяющую роль в экстремальных условиях, например, подобных начальным стадиям образования Вселенной.

Массы покоя стабильных элементарных частиц имеют следующие значения: протона m p ≈ 1,67 · 10 -27 кг, электрона m е ≈ 0,91 · 10 -30 кг. У фотона и всех типов нейтрино масса покоя равна нулю.

Как правило, массы элементарных частиц выражаются в энергетических единицах - электрон-вольтах. Тогда m р ≈938,3×10 6 эВ =938,3 МэВ, m е ≈ 0,51 МэВ.

Элементарные частицы обладают электрическим зарядом +е или -е или являются электрически нейтральными.

Заряд электрона е равен - 1,6 · 10 -19 Кл.

Одна из важнейших характеристик элементарных частиц - спин. Значение спина определяет вид волновой функции (симметричная или антисимметричная) и вид статистики (т.е. закона, которым описывается поведение коллектива микрочастиц). Частицы с нулевым или целочисленным спином (фотоны, π-мезоны и др.) подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна и называются бозонами. Частицы с полуцелым спином (электроны, протоны, нейтроны) подчиняются статистике Ферми-Дирака и называются фермионами. Фундаментальными фермионами являются лептоны к кварки. Фермионы подчиняются принципу Паули, согласно которому в любой системе одинаковых фермионов любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии. Применительно к распределению электронов в атоме принцип Паули утверждает; что в одном и том же атоме не может быть более одного электрона с одинаковым набором четырех квантовых чисел n, l, m и σ .

Принцип Паули основан на неразличимости одинаковых квантовых частиц. При перестановке двух фермионов волновая функция должна изменить свой знак. Однако, если состояния двух фермионов (т. е. их наборы квантовых чисел) одинаковы, то ψ-функция не должна менять знака. Это противоречие формально устраняется только при ψ=0, что означает невозможность (нулевую вероятность) нахождения частицы в таком состоянии.

Античастицы. Для каждой известной элементарной частицы существует так называемая античастица. Массы, времена жизни и спин частицы и античастицы одинаковы. Остальные характеристики, например, электрический заряд, магнитный момент - равны по модулю, но противоположны по знаку. Такими парами являются, например, протон р и антипротон , электрон - и антиэлектрон е + (т.е. позитрон е +). Некоторые частицы, например, фотон, тождественны своим античастицам.

Античастицы рождаются в ядерных реакциях при достаточно больших энергиях, но в веществе время жизни их мало. При встрече частицы и античастицы происходит аннигиляция. Масса и кинетическая энергия пары «частицы-античастицы» превращаются в энергию фотонов или других частиц. Например, при аннигиляции электрона и позитрона выделяется два фотона:

е - + е + → 2γ.

В свою очередь, фотоны могут превращаться в электронно- позитронные пары. В подобных реакциях ярко проявляется отсутствие четкой грани между полем и веществом, характерной для классической картины мира.

Атомные ядра

Следующим в рассматриваемой иерархии объектов Природы является атомное ядро. Ядро представляет собой связанную систему из адронов двух типов - протонов и нейтронов, которые объединяют в этом случае общим наименованием «нуклоны». Протон есть ядро простейшего атома - атома водорода. Он имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона. Нейтрон электрически нейтрален. Масса нейтрона m n =1,6750·10 -27 кг. Число протонов -в ядре атома называется атомным номером (Z ), а общее число нуклонов - массовым числом (А ). Заряд ядра положителен и равен Z · е . Большинство атомных ядер представлены группами изотопов. Заряд Z в каждой группе изотопов постоянен, а количество нейтронов различно. Различают стабильные, долгоживущие и радиоактивные изотопы. Причины радиоактивной нестабильности связаны с недостатком или избытком нейтронов внутри ядра.

Размер ядра условно характеризуется радиусом R ядра. Радиус возрастает с увеличением числа нуклонов в соответствии с формулой , где R 0 = (1,3 …, 1,7) · 10 -15 м. Плотность «упаковки» нуклонов в ядре очень велика и составляет ~10 44 нуклонов/м 3 или 10 17 кг/м 3 .

Как уже отмечалось, стабильность ядра объясняется наличием сильного взаимодействия или ядерных сил притяжения сил притяжения. Энергия, которая необходима для удержания нуклонов в ядре, в соответствии с законом сохранения энергии определяется работой, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие нуклоны. Эта энергия называется энергией связи ядра. Энергия связь проявляется как уменьшение массы ядра при его образовании по сравнению с суммарной массой составляющих ядро нуклонов:

Величина Δm носит название дефекта массы. Энергия связи определяется как

Обычно ядро характеризуют удельной энергией связи, т. е. энергией, приходящейся на один нуклон. На рис. 5.3 приведена зависимость удельной энергии связи от массового числа А , характеризующая прочность связей нуклонов в ядрах различных химических элементов. Как следует из графика, наиболее прочными являются связи ядер элементов с массовыми числами (28 ... 138). По мере увеличения А энергия связи убывает. Понижение прочности ядер объясняется тем, что в легких ядрах связи нуклонов не насыщены, а в тяжелых ядрах начинает сказываться кулоновское отталкивание протонов друг от друга.

Из рис. 5.3 также видно, что процессы образования более стабильных ядер (т. е. характеризующихся большими значениями ΔЕ СВ сопровождаются выделением энергии. Таким образом, реакция слияния легких ядер с образованием более тяжелых (стрелка 1 на. рис. 5.3) и реакции деления тяжелых ядер (стрелка 2 на рис. 5.3) перспективны с точки зрения энергетики.

Подробно этот вопрос обсужден во второй части курса.

Ядерные реакции. Радиоактивность . Ядерными реакциями называются процессы, в результате которых из ядер одних элементов получаются ядра других элементов. Эти процессы могут происходить как в результате внешних воздействий (например, «столкновения ядра с другими частицами), так и самопроизвольно, спонтанно (радиоактивный расти).

Ядерные реакции записываются подобно химическим. Например, в результате реакции деления ядра урана при столкновении с нейтроном образуются ядра цезия и рубидия и два нейтрона:

Облучение ядра нейтронами наиболее часто используется для осуществления ядерных реакций. Дело в том, что электрически нейтральный нейтрон не испытывает кулоновского отталкивания протонов ядра и легко в него проникает. Под действием высокоэнергетического (>100 МэВ) нейтронного облучения делятся все ядра.

Выделяющиеся в реакциях распада нейтроны могут вызвать деление других ядер, благодаря чему возникает цепная реакция - лавинообразный процесс, например, взрыв атомной бомбы. Часть нейтронов можно удалить из делящегося вещества, тогда реакцией деления можно управлять. Поглощение нейтронов в графитовых стержнях используется в атомных реакторах.

Самопроизвольный распад ядер с испусканием различных частиц называется радиоактивностью. В любом радиоактивном распаде масса исходного ядра превышает единицу масс продуктов распила, т.е. выделяется энергия. Естественная радиоактивность была открыта А. Бсккерелем (1896 г.), а искусственная - супругами Жолио-Кюри (1936 г.). Основными типами радиоактивности является альфа-, бета- и гамма-распады.

Альфа-распад заключается в самопроизвольном испускании ядром ci-частицы (т. е. ядра гелия ). Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер с Z ≥ 82.

При бета-распаде ядро испускает электрон и электронное антинейтрино (или позитрон и электронное нейтрино):

Бета-распад обусловлен превращением нуклонов, вызываемых слабым взаимодействием, например в первой из записанных реакции происходит превращение нейтрона по схеме

Гамма-распад состоит в испускании ядром фотонов с высокой энергией (γ-квантов). Ядро, являясь квантовой системой, может находиться в состояниях с различной энергией. При переходах из возбужденных энергетических состояний в основные, невозбужденные, ядра испускают γ-кванты. При этом ни массовое число Л, ни атомный номер ядра Z не изменяются.

Элементарные частицы в точном значении этого термина - первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии «Элементарные частицы» в современной науки естествознания находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии. Понятие «Элементарные частицы» сформировалось в тесной связи с установлением дискретного 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 построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов - электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (протонов и нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями - Элементарные частицы Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся Элементарные частицы, как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение «состоит из…» на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения «элементарности» в этом случае придется отказаться. Существование элементарных частиы - это своего рода постулат, и проверка его справедливости - одна из важнейших задач науки естествознания.

Элемента́рная части́ца - собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить (или пока это не доказано) на составные части. Их строение и поведение изучается физикой элементарных частиц. Понятие элементарных частиц основывается на факте дискретного строения вещества. Ряд элементарных частиц имеет сложную внутреннюю структуру, однако разделить их на части невозможно. Другие элементарные частицы являются бесструктурными и могут считаться первичными фундаментальными частицами.

Со времён первого открытия элементарной частицы (электрона) в 1897 году обнаружено уже более 400 элементарных частиц.

По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса:

фермионы - частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

бозоны - частицы с целым спином (например, фотон).

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы:

адроны - частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);

барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, - протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

лептоны - фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т. е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.

кварки - дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались. Как и лептоны, делятся на 6 типов и являются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.

калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

фотон - частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

восемь глюонов - частиц, переносящих сильное взаимодействие;

три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

гравитон - гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны - это кванты разных видов излучения.

Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

Способность к взаимным превращениям – это наиболее важное свойство всех элементарных частиц. Элементарные частицы способны рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Это относится также и к стабильным частицам с той только разницей, что превращения стабильных частиц происходят не самопроизвольно, а при взаимодействии с другими частицами. Примером может служить аннигиляция (т. е. исчезновение) электрона и позитрона, сопровождающаяся рождением фотонов большой энергии. Может протекать и обратный процесс – рождение электронно-позитронной пары, например, при столкновении фотона с достаточно большой энергией с ядром. Такой опасный двойник, каким для электрона является позитрон, есть и у протона. Он называется антипротоном. Электрический заряд антипротона отрицателен. В настоящее время античастицы найдены у всех частиц. Античастицы противопоставляются частицам потому, что при встрече любой частицы со своей античастицей происходит их аннигиляция, т. е. обе частицы исчезают, превращаясь в кванты излучения или другие частицы.

В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации.Наиболее удобной систематикой многочисленных элементарных частиц является их классификация по видам взаимодействий, в которых они участвуют. По отношению к сильному взаимодействию все элементарные частицы делятся на две большие группы: адроны (от греч. hadros — большой, сильный) и лептоны (от греч. leptos — легкий).

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, т. е. не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.

Таким образом, человечество продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) и применяется термин «фундаментальные частицы».

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6×10 -24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9×10 -28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по порядку величины равны 10 -13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10 -15 см. Микроскопические массы и размеры Элементарные частицы лежат в основе квантовой специфики их поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать Элементарные частицы в квантовой теории (, где - постоянная Планка, m - масса частицы, с - скорость света) по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие (например, для p-мезона 1,4×10 -13 см). Это и приводит к тому, что квантовые закономерности являются определяющими для элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Элементарные частицы - это специфические кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, например, процесс рождения p + -мезона при столкновении двух протонов (р + р ® р + n+ p +) или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают, например, два g-кванта (е + +е — ®g + g). Но и процессы упругого рассеяния частиц, например е — +p ® е — + р, также связаны с поглощением начальных частиц и рождением конечных частиц. Распад нестабильных элементарных частиц на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этом отношении распад элементарных частиц подобен распаду возбуждённого атома на атом в основном состоянии и фотон. Примерами распадов элементарных частиц могут служить:

; p + ®m + + v m ; К + ®p + + p 0 (знаком «тильда» над символом частицы здесь и в дальнейшем помечены соответствующие античастицы).

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия элементарных частиц можно феноменологически разделить на несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все элементарные частицы обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.

Сильные взаимодействия выделяются как взаимодействия, которые порождают процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью среди всех остальных процессов. Они приводят и к самой сильной связи элементарных частиц. Именно сильные взаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивают исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабые взаимодействия , как показывает само название, вызывают очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами. Иллюстрацией их малой интенсивности может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабыми взаимодействиями, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца. Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады так называемых квазистабильных элементарных частиц. Времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10 -8 -10 -10 сек, тогда как типичные времена для сильных взаимодействий элементарных частиц составляют 10 -23 -10 -24 сек.

Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае элементарных частиц на характерных расстояниях ~10 -13 см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

Силу различных классов взаимодействий можно приближённо охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант соответствующих взаимодействий. Для сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий протонов при средней энергии процесса ~1 Гэв эти параметры соотносятся как 1:10 -2: l0 -10:10 -38 . Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабых взаимодействий безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами интенсивности различных процессов по-разному зависят от энергии. Это приводит к тому, что относительная роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняется с ростом энергии взаимодействующих частиц, так что разделение взаимодействий на классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные классы взаимодействий имеют, однако, и другую специфику, связанную с различными свойствами их симметрии, которая способствует их разделению и при более высоких энергиях. Сохранится ли такое деление взаимодействий на классы в пределе самых больших энергий, пока остаётся неясным.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны (от греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos - мелкий, тонкий, лёгкий). Адроны характеризуются прежде всего тем, что они обладают сильными взаимодействиями, наряду с электромагнитными и слабыми, тогда как лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. (Наличие общих для той и другой группы гравитационных взаимодействий подразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к массе протона (т р); минимальную массу среди адронов имеет p-мезон: т p »м 1/7×т р. Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики (0,1 m p), однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность существования тяжёлых лептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, лептонов - электрон. Фотон, обладающий только электромагнитными взаимодействиями, не может быть отнесён ни к адронам, ни к лептонам и должен быть выделен в отд. группу. По развиваемым в 70-х гг. представлениям фотон (частица с нулевой массой покоя) входит в одну группу с очень массивными частицами - т. н. промежуточными векторными бозонами, ответственными за слабые взаимодействия и пока на опыте не наблюдавшимися.

Каждая элементарная частица, наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физических величин, или своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа и некоторый общий множитель - единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах элементарных частиц и задают только их, опуская единицы измерения.

Общими характеристиками всех элементарных частиц являются масса (m), время жизни (t), спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того, по какому закону распределены массы элементарные частицы и существует ли для них какая-то единица
измерения.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (t > 5×10 21 лет), протон (t > 2×10 30 лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10 -20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10 -23 -10 -24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой ³ 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений - ~10 -20 сек.

Спин элементарных частиц является целым или полуцелым кратным от величины . В этих единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы и с более высоким спином. Величина спина элементарных частиц определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных) частиц, или их статистику (В. Паули, 1940). Частицы полуцелого спина подчиняются Ферми - Дирака статистике (отсюда название фермионы), которая требует антисимметрии волновой функции системы относительно перестановки пары частиц (или нечётного числа пар) и, следовательно, «запрещает» двум частицам полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии (Паули принцип). Частицы целого спина подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике (отсюда название бозоны), которая требует симметрии волновой функции относительно перестановок частиц и допускает нахождение любого числа частиц в одном и том же состоянии. Статистические свойства элементарных частиц оказываются существенными в тех случаях, когда при рождении или распаде образуется несколько одинаковых частиц. Статистика Ферми - Дирака играет также исключительно важную роль в структуре ядер и определяет закономерности заполнения электронами атомных оболочек, лежащие в основе периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Электрические заряды изученных Элементарные частицы являются целыми кратными от величины е » 1,6×10 -19 к, называются элементарным электрическим зарядом. У известных элементарных частиц Q = 0, ±1, ±2.

Помимо указанных величин элементарных частиц дополнительно характеризуются ещё рядом квантовых чисел, называются внутренними. Лептоны несут специфический лептонный заряд L двух типов: электронный (L e) и мюонный (L m); L e = +1 для электрона и электронного нейтрино, L m = +1 для отрицательного мюона и мюонного нейтрино. Тяжёлый лептон t; и связанное с ним нейтрино, по-видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда L t .

Для адронов L = 0, и это ещё одно проявление их отличия от лептонов. В свою очередь, значительные части адронов следует приписать особый барионный заряд В (|Е| = 1). Адроны с В = +1 образуют подгруппу
барионов (сюда входят протон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 - подгруппу мезонов (p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп адронов происходит от греческих слов barýs - тяжёлый и mésos - средний, что на начальном этапе исследований элементарные частицы отражало сравнительные величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.

Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности: обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны, К-мезоны) и очарованных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| ¹ 0, Ch = 0, для очарованных частиц |Ch| ¹0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто используется квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более фундаментальное значение.

Уже первые исследования с обычными адронами выявили наличие среди них семейств частиц, близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению к сильным взаимодействиям, но с различными значениями электрического заряда. Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства. Позднее аналогичные семейства были обнаружены среди странных и (в 1976) среди очарованных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие семейства, является отражением
существования у них одинакового значения специального квантового числа - изотопического спина I, принимающего, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно называются изотопическими мультиплетами. Число частиц в мультиплете (п) связано с I соотношением: n = 2I + 1. Частицы одного изотопического мультиплета отличаются друг от друга значением «проекции» изотопического спина I 3 , и соответствующие значения Q даются выражением:

Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р, связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения ±1.

Для всех элементарных частиц с ненулевыми значениями хотя бы одного из зарядов О, L, В, Y (S) и очарования Ch существуют античастицы с теми же значениями массы т, времени жизни t, спина J и для адронов изотопического спина 1, но с противоположными знаками всех зарядов и для барионов с противоположным знаком внутренней чётности Р. Частицы, не имеющие античастиц, называются абсолютно (истинно) нейтральными. Абсолютно нейтральные адроны обладают специальным квантовым числом - зарядовой чётностью (т. е. чётностью по отношению к операции зарядового сопряжения) С со значениями ±1; примерами таких частиц могут служить фотон и p 0 .

Квантовые числа элементарных частиц разделяются на точные (т. е. такие, которые связаны с физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах) и неточные (для которых соответствующие физические величины в части процессов не сохраняются). Спин J связан со строгим законом сохранения момента количества движения и потому является точным квантовым числом. Другие точные квантовые числа: Q,L, В; по современным данным, они сохраняются при всех превращениях Элементарные частицы Стабильность протона есть непосредственное выражение сохранения В (нет, например, распада р ® е + + g). Однако большинство квантовых чисел адронов неточные. Изотопический спин, сохраняясь в сильных взаимодействиях, не сохраняется в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Странность и очарование сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабых взаимодействиях. Слабые взаимодействия изменяют также внутреннюю и зарядовую чётности. С гораздо большей степенью точности сохраняется комбинированная чётность СР, однако и она нарушается в некоторых процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями. Причины, вызывающие несохранение многих квантовых чисел адронов, неясны и, по-видимому, связаны как с природой этих квантовых чисел, так и с глубинной структурой электромагнитных и слабых взаимодействий. Сохранение или несохранение тех или иных квантовых чисел - одно из существенных проявлений различий классов взаимодействий элементарных частиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На первый взгляд, кажется, что изучение элементарных частиц имеет чисто теоретическое значение. Но это не так. Применение элементарным частицам нашли во многих сферах жизни.

Самое простое применение элементарных частиц – на ядерных реакторах и ускорителях. На ядерных реакторах с помощью нейтронов разбивают ядра радиоактивных изотопов, получая энергию. На ускорителях элементарные частицы используются для исследований.

В электронных микроскопах используются пучки «жёстких» электронов, позволяющие увидеть более мелкие объекты, чем в оптическом микроскопе.

Бомбардируя ядрами некоторых элементов полимерные плёнки, можно получить своеобразное «сито». Размер отверстий в нём может быть 10 -7 см. Плотность этих отверстий доходит до миллиарда на квадратный сантиметр. Такие «сита» можно применять для сверхтонкой очистки. Они фильтруют воду и воздух от мельчайших вирусов, угольной пыли, стерилизуют лекарственные растворы, незаменимы при контроле за состоянием окружающей среды.

Нейтрино в перспективе поможет учёным проникнуть в глубины Вселенной и получить сведения о раннем периоде развития галактик.

Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в конце XIX в. был открыт электрон, а затем в первые десятилетия XX в. – фотон, протон, позитрон и нейтрон.

После второй мировой войны, благодаря использованию современной экспериментальной техники, и прежде всего мощным ускорителям, в которых создаются условия высоких энергий и громадных скоростей, было установлено существование большого числа элементарных частиц – свыше 300. Среди них имеются как экспериментально обнаруженные, так и теоретически вычисленные, включая резонансы, кварки и виртуальные частицы.

Термин элементарная частица первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина “элементарный” применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но, тем не менее, исторически сложившееся название продолжает существовать.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частицопределяют по отношению к массе покоя электрона.Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, –фотоны . Остальные частицы по этому признаку делятся налептоны – легкие частицы (электрон и нейтрино);мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона;барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрический заряд является другой важнейшей характеристикой элементарных частиц. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Приблизительно в 1963–1964 гг. была высказана гипотеза о существованиикварков – частиц с дробным электрическим зарядом. Экспериментального подтверждения эта гипотеза пока не нашла.

По времени жизни частицы делятся настабильные инестабильные . Стабильных частиц пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. Именно стабильныечастицы играют важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10 –10 –10 -24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10 –23 –10 –22 с называют резонансами . Вследствие краткого времени жизни они распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Резонансные состояния вычислены теоретически, зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Помимо заряда, массы и времени жизни, элементарные частицы описываются также понятиями, не имеющими аналогов в классической физике: понятием спина . Спиномназывается собственный момент импульса частицы, не связанный с ее перемещением. Спин характеризуетсяспиновым квантовым числом s , которое может принимать целые (±1) или полуцелые (±1/2) значения. Частицы с целым спином –бозоны , с полуцелым –фермионы . Электрон относится к фермионам. Согласно принципу Паули в атоме не может быть более одного электрона с одним и тем же набором квантовых чиселn ,m ,l ,s . Электроны, которым соответствует волновые функции с одинаковым числомn, очень близки по энергиям и образуют в атоме электронную оболочку. Различия в числеlопределяют “подоболочку”, остальные квантовые числа определяют ее заполнение, о чем было сказано выше.

В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление взаимодействия . Как отмечалось ранее, известно четыре вида взаимодействий между элементарными частицами:гравитационное , слабое , электромагнитное и сильное (ядерное).

Все частицы, имеющие массу покоя (m 0), участвуют в гравитационном взаимодействии, заряженные – и в электромагнитном. Лептоны участвуют еще и слабом взаимодействии. Адроны участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях.

Согласно квантовой теории поля, все взаимодействия осуществляются благодаря обмену виртуальными частицами , то есть частицами, о существовании которых можно судить лишь опосредовано, по некоторым их проявлениям через какие-то вторичные эффекты (реальные частицы можно непосредственно зафиксировать с помощью приборов).

Оказывается, что все известные четыре типа взаимодействий – гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое – имеют калибровочную природу и описываются калибровочными симметриями. То есть все взаимодействия как бы сделаны “из одной болванки”. Это вселяет надежду, что можно будет найти “единственный ключ ко всем известным замкам” и описать эволюцию Вселенной из состояния, представленного единым суперсимметричным суперполем, из состояния, в котором различия между типами взаимодействий, между всевозможными частицами вещества и квантами полей еще не проявлены.

Существует огромное число способов классификации элементарных частиц. Так, например, частицы разделяют на фермионы (Ферми-частицы) – частицы вещества и бозоны (Бозе-частицы) – кванты полей.

Согласно другому подходу, частицы разделяют на 4 класса: фотоны, лептоны, мезоны, барионы.

Фотоны (кванты электромагнитного поля) участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным, слабым, гравитационным взаимодействиями.

Лептоны получили свое название от греческого слова l eptos – легкий. К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием мюоны (μ – , μ +), электроны (е – , е +),электронные нейтрино (v e – ,v e +) и мюонные нейтрино (v – m ,v + m). Все лептоны имеют спин, равный ½, и, следовательно, являются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (то есть мюоны и электроны), обладают также электромагнитным взаимодействием.

Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемого барионного заряда. К их числу принадлежитр -мезоны, или пионы (π + , π – , π 0),К -мезоны, или каоны (К + , К – , К 0), иэта -мезоны (η). МассаК -мезонов составляет ~970mе (494 МэВ для заряженных и 498 МэВ для нейтральныхК -мезонов). Время жизниК -мезонов имеет величину порядка 10 –8 с. Они распадаются с образованиемя -мезонов и лептонов или только лептонов. Массаэта -мезонов равна 549 МэВ (1074mе), время жизни – порядка 10 –19 с.Эта -мезоны распадаются с образованием π-мезонов и γ-фотонов. В отличие от лептонов, мезоны обладают не только слабым (и, если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.

Класс барионов объединяет в себе нуклоны (p,n) и нестабильные частицы с массой больше массы нуклонов, получившие название гиперонов. Все барионы обладают сильным взаимодействием и, следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен ½, так что барионы являются фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде барионов, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявленийзакона сохранения барионного заряда .

Кроме перечисленных выше частиц обнаружено большое число сильно взаимодействующих короткоживущих частиц, которые получили название резонансов . Эти частицы представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов составляет всего лишь ~ 10 –23 –10 –22 с.

Элементарные частицы, а также сложные микрочастицы удается наблюдать благодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Характер следов позволяет судить о знаке заряда частицы, ее энергии, импульсе и т. п. Заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своем пути. Нейтральные частицы следов не оставляют, но они могут обнаружить себя в момент распада на заряженные частицы или в момент столкновения с каким-либо ядром. Следовательно, в конечном счете нейтральные частицы также обнаруживаются по ионизации, вызванной порожденными ими заряженными частицами.

Частицы и античастицы . В 1928 г. английскому физику П. Дираку удалось найти релятивистское квантово-механическое уравнение для электрона, из которого вытекает ряд замечательных следствий. Прежде всего, из этого уравнения естественным образом, без каких-либо дополнительных предположений, получаются спин и числовое значение собственного магнитного момента электрона. Таким образом, выяснилось, что спин представляет собой величину одновременно и квантовую, и релятивистскую. Но этим не исчерпывается значение уравнения Дирака. Оно позволило также предсказать существование античастицы электрона –позитрона . Из уравнения Дирака получаются для полной энергии свободного электрона не только положительные, но и отрицательные значения. Исследования уравнения показывают, что при заданном импульсе частицы существуют решения уравнения, соответствующие энергиям:.

Между наибольшей отрицательной энергией (–m е с 2) и наименьшей положительной энергией (+m e c 2) имеется интервал значений энергии, которые не могут реализоваться. Ширина этого интервала равна 2m е с 2 . Следовательно, получаются две области собственных значений энергии: одна начинается с + m e с 2 и простирается до +∞, другая начинается с –m е с 2 и простирается до –∞.

Частица с отрицательной энергией должна обладать очень странными свойствами. Переходя в состояния со все меньшей энергией (то есть с увеличивающейся по модулю отрицательной энергией), она могла бы выделять энергию, скажем, в виде излучения, причем, поскольку |Е | ничем не ограничен, частица с отрицательной энергией могла бы излучать бесконечно большое количество энергии. К аналогичному выводу можно прийти следующим путем: из соотношенияЕ =m е с 2 вытекает, что у частицы с отрицательной энергией масса будет также отрицательна. Под действием тормозящей силы частица с отрицательной массой должна не замедляться, а ускоряться, совершая над источником тормозящей силы бесконечно большое количество работы. Ввиду этих трудностей следовало, казалось бы, признать, что состояние с отрицательной энергией нужно исключить из рассмотрения как приводящее к абсурдным результатам. Это, однако, противоречило бы некоторым общим принципам квантовой механики. Поэтому Дирак выбрал другой путь. Он предложил, что переходы электронов в состояния с отрицательной энергией обычно не наблюдаются по той причине, что все имеющиеся уровни с отрицательной энергией уже заняты электронами.

Согласно Дираку, вакуум есть такое состояние, в котором все уровни отрицательной энергии заселены электронами, а уровни с положительной энергией свободны. Поскольку заняты все без исключения уровни, лежащие ниже запрещенной полосы, электроны на этих уровнях никак себя не обнаруживают. Если одному из электронов, находящихся на отрицательных уровнях, сообщить энергию Е ≥ 2m е с 2 , то этот электрон перейдет в состояние с положительной энергией и будет вести себя обычным образом, как частица с положительной массой и отрицательным зарядом. Эта первая из предсказанных теоретически частиц была названа позитроном. При встрече позитрона с электроном они аннигилируют (исчезают) – электрон переходит с положительного уровня на вакантный отрицательный. Энергия, соответствующая разности этих уровней, выделяется в виде излучения. На рис. 4 стрелка 1 изображает процесс рождения пары электрон-позитрон, а стрелка 2 – их аннигиляцию Термин “аннигиляция” не следует понимать буквально. По существу, происходит не исчезновение, а превращение одних частиц (электрона и позитрона) в другие (γ-фотоны).

Существуют частицы, которые тождественны со своими античастицами (то есть не имеют античастиц). Такие частицы называются абсолютно нейтральными. К их числу принадлежат фотон, π 0 -мезон и η-мезон. Частицы, тождественные со своими античастицами, не способны к аннигиляции. Это, однако, не означает, что они вообще не могут превращаться в другие частицы.

Если барионам (то есть нуклонам и гиперонам) приписать барионный заряд (или барионное число) В = +1, антибарионам – барионный заряд В = –1, а всем остальным частицам – барионный зарядВ = 0, то для всех процессов, протекающих с участием барионов и антибарионов, будет характерно сохранение барионов заряда, подобно тому как для процессовхарактерно сохранение электрического заряда. Закон сохранения барионного заряда обусловливаетстабильность самого мягкого из барионов – протона. Преобразование всех величин, описывающих физическую систему, при котором все частицы заменяются античастицами (например, электроны протонами, а протоны электронами и т. д.), называется зарядом сопряжения.

Странные частицы. К -мезоны и гипероны были обнаружены в составе космических лучей в начале 50-х гг.XXв. Начиная с 1953 г. их получают на ускорителях. Поведение этих частиц оказалось столь необычным, что они были названы странными. Необычность поведения странных частиц заключалась в том, что рождались они явно за счет сильных взаимодействий с характерным временем порядка 10 –23 с, а времена жизни их оказались порядка 10 –8 –10 –10 с. Последнее обстоятельство указывало на то, что распад частиц осуществляется в результате слабых взаимодействий. Было совершенно непонятно, почему странные частицы живут так долго. Поскольку и в рождении, и в распаде λ-гиперона участвуют одни и те же частицы (π-мезоны и протон), представлялось удивительным, что скорость (то есть вероятность) обоих процессов столь различна. Дальнейшие исследования показали, что странные частицы рождаются парами. Это навело на мысль, что сильные взаимодействия не могут играть роли в распаде частиц вследствие того, что для их проявления необходимо присутствие двух странных частиц. По той же причине оказывается невозможным одиночное рождение странных частиц.

Чтобы объяснить запрет одиночного рождения странных частиц, М. Гелл-Манн и К. Нишиджима ввели в рассмотрение новое квантовое число, суммарное значение которого должно, по их предположению, сохраняться при сильных взаимодействиях. Это квантовое число S было названостранностью частицы . При слабых взаимодействиях странность может не сохраняться. Поэтому она приписывается только сильно взаимодействующим частицам – мезонам и барионам.

Нейтрино. Нейтрино – единственная частица, которая не участвует ни в сильных, ни в электромагнитных взаимодействиях. Исключая гравитационное взаимодействие, в которомучаствуют все частицы, нейтрино может принимать участие лишь в слабых взаимодействиях.

Долгое время оставалось неясным, чем отличается нейтрино от антинейтрино. Открытие закона сохранения комбинированной четности дало возможность ответить на этот вопрос: они отличаются спиральностью. Под спиральностью понимается определенное соотношение между направлениями импульсаР и спинаS частицы. Спиральность считается положительной, если спин и импульс имеют одинаковое направление. В этом случаенаправление движения частицы (Р ) и направление “вращения”, соответствующего спину, образуют правый винт. При противоположно направленных спине и импульсе спиральность будет отрицательной (поступательное движение и “вращение” образуют левый винт). Согласно развитой Янгом, Ли, Ландау и Саламом теории продольного нейтрино, все существующие в природе нейтрино, независимо от способа их возникновения, всегда бывают полностью продольно поляризованы (то есть спин их направлен параллельно или антипараллельно импульсу Р ). Нейтрино имеет отрицательную (левую) спиральность (ему соответствует соотношение направлений S и Р , изображенное на рис. 5 (б), антинейтрино – положительную (правую) спиральность (а). Таким образом, спиральность – это то, что отличает нейтрино от антинейтрино.

Рис. 5. Схема спиральности элементарных частиц

Систематика элементарных частиц. Закономерности, наблюдаемые в мире элементарных частиц, могут быть сформулированы в виде законов сохранения. Таких законов накопилось уже довольно много. Некоторые из них оказываются не точными, а лишь приближенными. Каждый закон сохранения выражает определенную симметрию системы. Законы сохранения импульсаР , момента импульсаL и энергииЕ отражают свойства симметрии пространства и времени: сохранениеЕ есть следствие однородности времени, сохранениеР обусловлено однородностью пространства, а сохранениеL – его изотропностью. Закон сохранения четности связан с симметрией между правым и левым (Р -инвариантность). Симметрия относительно зарядового сопряжения (симметрия частиц и античастиц) приводит к сохранению зарядовой четности (С -инвариантность). Законы сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов выражают особую симметриюС -функции. Наконец, закон сохранения изотопического спина отражает изотропность изотопического пространства. Несоблюдение одного из законов сохранения означает нарушение в данном взаимодействии соответствующего вида симметрии.

В мире элементарных частиц действует правило: разрешено все, что не запрещают законы сохранения . Последние играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращения частиц. Прежде всего отметим законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Эти три закона объясняют стабильность электрона. Из сохранения энергии и импульса следует, что суммарная масса покоя продуктов распада должна быть меньше массы покоя распадающейся частицы. Значит, электрон мог бы распадаться только на нейтрино и фотоны. Но эти частицы электрически нейтральны. Вот и получается, что электрону просто некому передать свой электрический заряд, поэтому он стабилен.

Кварки. Частиц, называемых элементарными, стало так много, что возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя независимыми аддитивными квантовыми числами: зарядомQ , гиперзарядомУ и барионным зарядомВ . В связи с этим появилась гипотеза о том, что все частицы построены из трех фундаментальных частиц – носителей этих зарядов. В 1964 г. Гелл-Манн и независимо от него швейцарский физик Цвейг выдвинули гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены из трех частиц, названных кварками. Этим частицам приписываются дробные квантовые числа, в частности, электрический заряд, равный +⅔; –⅓; +⅓ соответственно для каждого из трех кварков. Эти кварки обычно обозначаются буквамиU ,D ,S . Кроме кварков, рассматриваются антикварки (u ,d ,s). На сегодняшний день известно 12 кварков – 6 кварков и 6 антикварков. Мезоны образуются из пары кварк-антикварк, а барионы – из трех кварков. Так, например, протон и нейтрон состоят из трех кварков, что делает протон или нейтрон бесцветными. Соответственно различают три заряда сильных взаимодействий – красный (R ), желтый (Y ) и зеленый (G ).

Каждому кварку приписывается одинаковый магнитный момент (мкВ), величина которого из теории не определяется. Расчеты, произведенные на основании такого предположения, дают для протона значение магнитного момента μ p = μ кв, а для нейтрона μ n = – ⅔μ кв.

Таким образом, для отношения магнитных моментов получается значение μ p / μ n = –⅔, превосходно согласующееся с экспериментальным значением.

В основном цвет кварка (подобно знаку электрического заряда) стал выражать различие в свойстве, определяющем взаимное притяжение и отталкивание кварков. По аналогии с квантами полей различных взаимодействий (фотонами в электромагнитных взаимодействиях,р -мезонами в сильных взаимодействиях и т. д.) были введены частицы-переносчики взаимодействия между кварками. Эти частицы были названыглюонами . Они переносят цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварки удерживаются вместе. В физике кварков сформулирована гипотеза конфайнмента (от англ.confinements – пленение) кварков, согласно которой невозможно вычитание кварка из целого. Он может существовать лишь в качествеэлемента целого. Существование кварков как реальных частиц в физике надежно обосновано.

Идея кварков оказалась весьма плодотворной. Она позволила не только систематизировать уже известные частицы, но и предсказать целый ряд новых. Положение, сложившееся в физике элементарных частиц, напоминают положение, создавшееся в физике атома после открытия в 1869 г. Д. И. Менделевым периодического закона. Хотя сущность этого закона была выяснена только спустя примерно 60 лет после создания квантовой механики, он позволил систематизировать известные к тому времени химические элементы и, кроме того, привел к предсказанию существования новых элементов и их свойств. Точно так же физики научились систематизировать элементарные частицы, причем разработанная систематика вряде случаев позволила предсказать существование новых частиц и предвосхитить их свойства.

Итак, в настоящее время истинно элементарными можно считать кварки и лептоны; их 12, или вместе с античатицами – 24. Кроме того, существуют частицы, обеспечивающие четыре фундаментальные взаимодействия (кванты взаимодействия). Этих частиц 13: гравитон, фотон, W ± - иZ -частицы и 8 глюонов.

Существующие теории элементарных частиц не могут указать, что является началом ряда: атомы, ядра, адроны, кваркиВ этом ряду каждая более сложная материальная структура включает более простую как составную часть. По-видимому, так бесконечно продолжаться не может. Предположили, что описанная цепочка материальных структур базируется на объектах принципиально иной природы. Показано, что такими объектами могут быть не точечные, а протяженные, хотя и чрезвычайно малые (~10 ‑33 см) образования, названныесуперструнами. Описанная идея в нашем четырехмерном пространстве не реализуема. Данная область физики вообще чрезвычайно абстрактна, и очень трудно подобрать наглядные модели, помогающие упрощенному восприятию идей, заложенных в теориях элементарных частиц. Тем не менее, эти теории позволяют физикам выразить взаимопревращение и взаимообусловленность “наиболее элементарных” микрообъектов, их связь со свойствами четырехмерного пространства-времени. Наиболее перспективной считается так называемаяМ-теория (М – отmystery – загадка, тайна). Она оперируетдвенадцатимерным пространством . В конечном итоге при переходе к непосредственно воспринимаемому нами четырехмерному миру все “лишние” измерения “сворачиваются”. М-теория пока единственная теория, которая дает возможность свести четыре фундаментальные взаимодействия к одному – так называемойСуперсиле. Важно также, что М-теория допускает существование разных миров и устанавливает условия, обеспечивающие возникновение нашего мира. М-теория еще недостаточно разработана. Считается, что окончательная«теория всего» на основе М-теории будет построена вXXIв.

Элементарными называют частицы, у которых на данный момент не обнаружено внутренней структуры. Еще в прошлом веке элементарными частицами считались атомы. Их внутренняя структура - ядра и электроны - была обнаружена в начале XXв. в опытах Э. Резерфорда. Размер атомов - около 10 -8 см, ядер - в десятки тысяч раз меньше, а размер электронов совсем мал. Он меньше чем 10 -16 см, как это следует из современных теорий и экспериментов.

Таким образом, сейчас электрон - элементарная частица. Что касается ядер, то их внутренняя структура обнаружилась вскоре после их открытия. Они состоят из нуклонов - протонов и нейтронов. Ядра довольно плотные: среднее расстояние между нуклонами всего в несколько раз больше их собственного размера. Для того чтобы выяснить, из чего состоят нуклоны, понадобилось около полувека, правда, при этом заодно появились и были разрешены и другие загадки природы.

Нуклоны состоят из трех кварков, которые элементарны с той же точностью, что и электрон, т. е. их радиус меньше 10 -16 см. Радиус нуклонов - размер области, занимаемой кварками, - около 10 -13 см. Нуклоны принадлежат к большому семейству частиц - барионов, составленных из трех различных (или одинаковых) кварков. Кварки могут по-разному связываться в тройки, и это определяет различия в свойствах бариона, например, он может иметь различный спин.

Кроме того, кварки могут соединяться в пары - мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Спин мезонов принимает целые значения, в то время как для барионов он принимает полуцелые значения. Вместе барионы и мезоны называются адронами.

В свободном виде кварки не найдены, и согласно принятым в настоящее время представлениям они могут существовать только в виде адронов. До открытия кварков некоторое время адроны считались элементарными частицами (и такое их название еще довольно часто встречается в литературе).

Первым экспериментальным указанием на составную структуру адронов были опыты по рассеянию электронов на протонах на линейном ускорителе в Станфорде (США), которые можно было объяснить, лишь предположив наличие внутри протона каких-то точечных объектов.

Вскоре стало ясно, что это - кварки, существование которых предполагалось еще ранее теоретиками.

Здесь представлена таблица современных элементарных частиц. Кроме шести видов кварков (в опытах пока проявляются только пять, но теоретики предполагают, что есть и шестой) в этой таблице приведены лептоны - частицы, к семье которых принадлежит и электрон. Еще в этой семье обнаружены мюон и (совсем недавно) t-лептон. У каждого из них есть свое нейтрино, так что лептоны естественным образом разбиваются на три пары е, n е; m, n m ;t, n t .

Каждая из этих пар объединяется с соответствующей парой кварков в четверку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, как это видно из таблицы. Отличаются лишь массы. Второе поколение тяжелее первого, а третье поколение тяжелее второго.

В природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные создаются искусственно на ускорителях заряженных частиц или при взаимодействии космических лучей в атмосфере.

Кроме имеющих спин 1/2 кварков и лептонов, вместе называемых частицами вещества, в таблице приведены частицы со спином 1. Это кванты полей, создаваемых частицами вещества. Из них наиболее известная частица - фотон, квант электромагнитного поля.

Так называемые промежуточные бозоны W + иW - , обладающие очень большими массами, были недавно обнаружены в экспериментах на встречных р -пучках при энергиях в несколько сотен ГэВ. Это переносчики слабых взаимодействий между кварками и лептонами. И наконец, глюоны - переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и сами кварки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются на промежуточных стадиях реакций рождения и уничтожения адронов. Недавно были зарегистрированы струи адронов, порожденные глюонами. Поскольку все предсказания теории кварков и глюонов - квантовой хромодинамики - сходятся с опытом, почти нет сомнений в существовании глюонов.

Частица со спином 2 - это гравитон. Его существование вытекает из теории тяготения Эйнштейна, принципов квантовой механики и теории относительности. Обнаружить гравитон экспериментально будет чрезвычайно трудно, поскольку он очень слабо взаимодействует с веществом.

Наконец, в таблице со знаком вопроса приведены частицы со спином 0 (Н-мезоны) и 3/2 (гравитино); они не обнаружены на опыте, но их существование предполагается во многих современных теоретических моделях.

Элементарные частицы

спин	0?	1/2				1				3/2	2?
название	Частицы Хиггса	Частицы вещества				Кванты полей
название	Частицы Хиггса	кварки		лептоны		фотон	векторные бозоны		глюон	гравитино	гравитон
символ	H	u	d	n e	e	g	Z	W	g
(масса)	(?)	(?)	(0,5)	(0)	(~95Гэв)	(~80Гэв)	(?)	(?)
символ	с	s	n m	m
(масса)	(0?)	(106)
символ	t	b	n t	t
(масса)	(0?)	(1784)
Барионный заряд	0	1/3	1/3	0	0	0	0	0	0	0	0
Электрический заряд	0, ±1	2/3	1/3	0	-1	0	0	±1	0	0	0
цвет	-	3	3	-	-	-	-	-	8	-	-

Адроны - общее название для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - мезоны и барионы.

Барионы (от греческого слова, означающего «тяжелый») - это адроны с полуцелым спином . Самые известные барионы - протони нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда-то странностью . Единицей странности обладают барион лямбда (L°) и семейство барионов сигма (S - , S+ и S°). Индексы +, - ,0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обладают барионы кси (X - и X°). Барион W - имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10 -10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микромира это не так. Такая частица, даже двигаясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой скорости, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оставить свой след в детекторе элементарных частиц. Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антибарионов.

Протон - стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода. Трудно сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906-1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона,подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах a-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.

Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10 -21 . Масса протона m p = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10 -24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u -кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d -кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами - глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечныеразмеры ~ 10 -13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.

Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия - протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут служить бета-распад нейтрона или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (для свободного протона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу). Спин протона равен 1/2. Адроны с полуцелым спином называются барионами (от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, различные гипероны (L, S, X, W) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число - барионный заряд, равный 1 для барионов, - 1 - для антибарионов и О - для всех прочих частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля, он введен лишь для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в любых реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический характер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.

Элементарная частица

Элементарная частица (англ. Elementary particle) - мельчайший неделимый объект в микромире (в атомном, ядерном и субъядерном масштабе). Из элементарных частиц состоят атомы и атомные ядра барионного вещества (и антивещества), а из электронных нейтрино (в гигантских количествах выбрасываемых звездами) состоит нейтринное вещество, которое астрономы выдают за "темную материю". Экспериментально установлено, что элементарные частицы одновременно обладают корпускулярными и волновыми свойствами (корпускулярно-волновой дуализм), а также наличие у элементарных частиц электромагнитных полей.

1 История
2 Классификация элементарных частиц

1 История

С открытием элементарных частиц физика задалась вопросом об их количестве и строении. Пока элементарных частиц было открыто порядка 10 - каждая элементарная частица считалась истинно элементарной, и делались попытки объяснить строение элементарных частиц исходя из электромагнитного поля. Но построить сходу полевую теорию элементарных частиц не получилось.

Параллельно в физике велись работы по созданию квантовой теории поля , которые выдвинулись на передний план. В основе квантовой теории лежит утверждение, что взаимодействия носят дискретный характер и передаются с помощью переносчиков - квантов. Но реально в природе были обнаружены только фотон и другие элементарные частицы. Поэтому в качестве не существующих в природе переносчиков взаимодействий элементарных частиц были выбраны сами элементарные частицы, которым приписывалась возможность временного существования и в виртуальном состоянии в нарушение закона сохранения энергии. Началась эра манипуляций над законами природы.

Предложенная в 1964 году модель кварков (впоследствии Стандартная модель элементарных частиц) утверждала, что элементарные частицы (участвующие в гипотетическом сильном взаимодействии) имеют сложную структуру и состоят из гипотетических кварков. В качестве математического обоснования гипотезы кварков была разработана унитарная симметрия. Но вымышленные кварки не были обнаружены (в природе нет дробного электрического заряда, равного по величине заряду гипотетических кварков), ни при каких энергиях и тогда Стандартной модели пришлось выдумать механизм препятствующий появлению кварков в свободном виде. Для этого гипотетические глюоны (гипотетические переносчики гипотетического сильного взаимодействия гипотетических кварков, также не найденные в природе - поскольку для них не оказалось места в спектре элементарных частиц) были наделены уникальными свойствами (конфайнмент) - способностью создавать себе подобных при движении (такой способностью не обладает ни одна элементарная частица). Понятно, что закон сохранения энергии - фундаментальный закон природы опять был проигнорирован.

Несмотря на кажущийся успех Стандартной модели элементарных частиц, работы над полевой теорией элементарных частиц не прекращались. Прогресс в данном направлении наметился в середине 70-х годов прошлого века, когда была сделана попытка объединить классику с не противоречащей ей частью квантовой механики (пришлось пожертвовать виртуальными частицами, нарушающими закон сохранения энергии). Так в результате ввода квантовых чисел удалось получить правильный спектр основных состояний элементарных частиц (включающий фотон, лептоны без тау-лептона, мезоны, барионы, векторные мезоны). Стало ясно, что данное направление является перспективным. Дальнейшая работа, подкрепленная развитием вычислительной техники и появлением компьютеров позволяющих рассчитывать взаимодействия магнитных полей привела к значительному продвижению полевой теории элементарных частиц.

Полевая теория элементарных частиц, действуя в рамках НАУКИ, опирается на проверенный ФИЗИКОЙ фундамент:

Классическую электродинамику,
Квантовую механику (без виртуальных частиц),
Законы сохранения - фундаментальные законы физики.

В этом принципиальное отличие научного подхода, использованного полевой теорией элементарных частиц - подлинная теория должна строго действовать в рамках законов природы: в этом и заключается НАУКА. Пришлось отбросить, по причине недоказанности, некоторые квантовые числа, постулированные Квантовой теорией и Стандартной моделью и связанные с ними якобы законы сохранения, бездоказательно приписанные их сторонниками к числу законов физики.

Теперь полевая теория элементарных частиц описывает весь спектр элементарных частиц, в котором естественно не нашлось места для сказочных: кварков, глюонов, гравитонов, гравитино, нейтралино, партонов, преонов, ... . Кроме того полевая теория объяснила откуда берется электрический заряд элементарных частиц и почему он квантуется, магнитные поля элементарных частиц и чем на самом деле являются ядерные силы . Но самое главное - это то, что все законы природы "снова" действуют, в том числе и такой нелюбимый квантовой теорией фундаментальный закон природы - закон сохранения энергии.

Подведем итог сказанному :
1. Квантовая теория вместе со Стандартной моделью утверждает, что каждая элементарная частица, участвующая в гипотетическом сильном взаимодействии (называемая ими адроном), состоит из кварков - но кварки (равно как и глюоны) не были обнаружены на ускорителях и вообще в природе ни при каких энергиях, а обмен виртуальными частицами противоречит законам природы.

2. Полевая теория утверждает, что элементарные частицы (с квантовым числом L>0, существование которого у элементарных частиц установлено полевой теорией) состоят из вращающегося поляризованного переменного электромагнитного поля с постоянной составляющей. Такие элементарные частицы должны обладать:

постоянным электрическим полем,
постоянным магнитным полем,
волновым переменным электромагнитным полем.

Наличие данных полей у элементарных частиц с ненулевой величиной массы покоя, а также гравитационного поля (создаваемого электромагнитными полями элементарных частиц), физика подтвердила экспериментально для ряда элементарных частиц.

С электромагнитными полями как постоянными, так и переменными мы сталкиваемся на каждом шагу. Число элементарных частиц бесконечно и каждая элементарная частица (с квантовым числом L>0) имеет бесконечное число возбужденных состояний . Благодаря наличию переменного электромагнитного поля элементарные частицы обладают волновыми свойствами. Таким видится микромир полевой теорией элементарных частиц.

Элементарная частица с квантовым числом L>0 в полевой теории

Строение протона в полевой теории (поперечное сечение) (E-постоянное электрическое поле,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле).

Как мы видим, полевая теория охватывает все элементарные частицы и объясняет их строение исходя из реально существующих в природе полей.

2 Классификация элементарных частиц

2.1 Классификация элементарных частиц в квантовой теории

С точки зрения квантовой теории все элементарные частицы делятся на два класса:

фермионы - элементарные частицы с полуцелым спином;
бозоны - элементарные частицы с целым спином.

Квантовая теория вводит следующие (с ее точки зрения существующие) фундаментальные взаимодействия:

При этом, кроме сильного взаимодействия и слабого взаимодействия, квантовая теория вводит особое электромагнитное взаимодействие, вместо действительно существующих в природе электромагнитных взаимодействий (отбросив взаимодействия магнитных полей элементарных частиц, которые не вписывались в квантовую теорию).

По видам введенных фундаментальных взаимодействий квантовая теория разделяет элементарные частицы на следующие группы:

адроны - элементарные частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий (постулированных квантовой теорией), как реально существующих в природе, так и вымышленных;
лептоны - фермионы, участвующие в электромагнитном и гипотетическом слабом взаимодействии (квантовой теории);
калибровочные бозоны - фотон, промежуточные векторные бозоны и предполагаемые переносчики взаимодействий (в рамках предположений квантовой теории).

Здесь указаны предполагаемые квантовой теорией и Стандартной моделью, но не найденные в природе: кварки, глюоны, гравитон, бозон Хиггса (под видом якобы найденного бозона Хиггса нам подсовывают вновь открытую элементарную частицу: векторный мезон), но не указаны мезоны и барионы, поскольку квантовая теория не считает данные элементарные частицы истинно элементарными. Кроме того часть векторных мезонов квантовая теория отнесла к элементарным частицам поскольку она считает, что они являются переносчиками слабого взаимодействия (постулированного квантовой теорией) - это W- и Z-бозоны. Остальные векторные мезоны квантовая теория не считает элементарными частицами.

2.2 Классификация элементарных частиц в полевой теории элементарных частиц

С точки зрения полевой теории элементарных частиц все элементарные частицы делятся на группы по квантовому числу L лежащему в основе спина, а спектр элементарных частиц определяется одновременно Квантовой механикой и Классической электродинамикой. Из бесконечного набора возможных значений спина выделяется только нуль (L=1) поскольку в этой группе мезонов невозможно отличить нейтральную частицу от соответствующей античастицы.

Все элементарные частицы можно разбить на следующие основные группы:

фотон
лептоны
мезоны
барионы
векторные мезоны

При этом число барионов и векторных мезонов в основном состоянии в природе бесконечно. Данная классификация разбивает элементарные частицы по квантовому числу L.

Фрагмент спектра основных состояний элементарных частиц

Элементарные частицы: фрагмент спектра основных состояний и возбужденных состояний (по полевой теории)

Гипотетических Слабых взаимодействий в природе нет, а степень участия элементарных частиц в ядерных силах определяется квантовым числом L (см. строение элементарных частиц) и энергией сосредоточенной в постоянном магнитном поле. С ростом квантового числа L растет процент энергии сосредоточенной в постоянном магнитном поле элементарных частиц, а также величина массы покоя - следовательно, растет и степень участия частицы в "сильных" взаимодействиях (а если правильно: в ядерных силах). Так что из четырех (предполагаемых квантовой теорией) типов фундаментальных взаимодействий в природе реально существует только два - электромагнитные и гравитационные , как и соответствующие им поля.

При этом электромагнитные взаимодействия отличаются от электромагнитного взаимодействия, учитываемого квантовой теорией, поскольку электромагнитные взаимодействия учитывают взаимодействия не только электрических но и магнитных полей.

3 Систематизация элементарных частиц

Имеется только одна систематизация элементарных частиц и их возбужденных состояний вытекающая из полевой теории элементарных частиц.

4 Масса у элементарных частиц

В соответствии с классической электродинамикой и формулой Эйнштейна, а также полевой теорией элементарных частиц, масса покоя элементарной частицы определяется как эквивалент энергии ее электромагнитных полей:

где определенный интеграл берется по всему собственному электромагнитному полю элементарной частицы, E - напряженность электрического поля, H - напряженность магнитного поля. Здесь учитываются все компоненты собственного электромагнитного поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле, переменное электромагнитное поле. Это согласуется с реально существующими в природе фундаментальными взаимодействиями. Никакой сказочный бозон Хиггса массу покоя элементарных частиц и их гравитационное поле - не создает и создавать не может, поскольку, согласно теории гравитации элементарных частиц, гравитационные поля элементарных частиц и инерционная масса элементарных частиц создаются их электромагнитными полями .

Поместив элементарную частицу во внешнее электрическое или магнитное поле (например, протон или нейтрон в атомное ядро), мы изменим величину энергии электромагнитных полей элементарной частицы, а следовательно, и величину ее массы, в результате чего изменится ее среднее время жизни. Таким образом: масса покоя элементарной частицы, ее среднее время жизни (в том числе и каналы распада) зависят от электромагнитных полей, в которых частица находится , а не только от величины ее скорости движения (как следует из СТО).

5 Радиус элементарной частицы (определяемый полевой теорией элементарных частиц)

Полевая теория элементарных частиц вводит определение полевого радиуса элементарной частицы (r 0~), как среднего расстояния от центра элементарной частицы (с квантовым числом L>0), на котором вращается переменное электромагнитное поле:

где:
L - главное квантовое число элементарной частицы;
ħ - постоянная Планка;
m 0~ - масса, заключенная в переменном электромагнитном поле элементарной частицы;
c - скорость света.

Строение протона в полевой теории (поперечное сечение) (E-постоянное электрическое поле,H-постоянное магнитное поле, желтым цветом отмечено переменное электромагнитное поле).

Строение электрона в полевой теории (поперечное сечение)

Строение нейтрона в полевой теории (поперечное сечение)
Как видно из представленных рисунков, электрические поля элементарных частиц - дипольные .

На картинках электрон выглядит меньше протона, а в действительности полевой радиус электрона в 600 раз больше протонного (и нейтронного), следовательно упасть на атомное ядро электрон никак не может - линейные размеры электрона превышают линейные размеры любого атомного ядра (даже самого тяжелого). Электрон не присутствует внутри нейтрона, а создается электромагнитным полем в процессе распада нейтрона, естественно вместе с электронным антинейтрино, обладающим еще большими (чем электрон) размерами.

В m 0~ сосредоточена только часть величины массы покоя элементарной частицы:

M 0 - масса покоя элементарной частицы.
m 0= - масса, заключенная в постоянном электрическом и постоянном магнитном поле элементарной частицы.

Радиус области пространства, занимаемого элементарной частицей, определяется как:

К величине r 0~ добавился еще радиус кольцевой области, занимаемой переменным электромагнитным полем элементарной частицы. Необходимо помнить, что часть величины массы покоя, сосредоточенной в постоянных (электрическом и магнитном) полях элементарной частицы находится за пределами данной области, в соответствии с законами электродинамики.

6 Возбужденные состояния элементарных частиц

Согласно полевой теории элементарных частиц, элементарные частицы с квантовым числом L>0 могут находиться и в возбужденном состоянии, отличающемся от основного наличием дополнительного вращательного момента (V) . Физика уже экспериментально открыла множество таких состояний у элементарных частиц. Примеры приведены на рисунках:

подгруппа мюона

подгруппа пи-мезона

подгруппа протона

7 Элементарная частица и теория гравитации элементарных частиц

Появившаяся в 2015 году теория гравитации элементарных частиц установила наличие в природе электромагнитной формы гравитации. При этом необходимо четко понимать: в природе существует не гравитационное поле вещества, а гравитационные поля элементарных частиц, из которых состоит вещество. Это суперпозиция векторных полей, и они складываются по правилам сложения векторов.

Поскольку гравитационные поля вещества создаются электромагнитными полями элементарных частиц, из которых это вещество состоит, то возник вопрос и о природе инерционных свойств вещества.

В уравнении 137 теории гравитации элементарных частиц было установлено, что кинетическая энергия электромагнитного поля элементарной частицы равна кинетической энергии ее инертной массы.

Отсюда следует: электрическая и магнитная составляющая электромагнитного поля элементарной частицы и создают инерционные свойства полевой материи, из которой состоит вещество Вселенной .

Тем самым теорией гравитации элементарных частиц было доказано, что гравитационные поля вещества и инерционные свойства вещества создаются электромагнитными полями элементарных частиц, из которых это вещество состоит. - ФИЗИКОЙ 21 века была опровергнута математическая СКАЗКА о "бозоне Хиггса".

Элементарные частицы, из которых состоит вещество Вселенной - являются формой электромагнитной полевой материи и этой форме материи не требуется никакой сказочный "бозон Хиггса" вместе со своими сказочными взаимодействиями, выдуманными Стандартной моделью и квантовой теорией. Конечно, можно выдумать новую форму материи, но это будет новая математическая СКАЗКА.

8 Немного о Стандартной модели элементарных частиц

В 1964 году Гелл-манн и Цвейг независимо предложили гипотезу существования кварков, из которых, по их мнению, состоят адроны. Удалось правильно описать спектр известных тогда элементарных частиц, но придуманные кварки пришлось наделить дробным электрическим зарядом, не существующим в природе. Лептоны в эту Кварковую модель, которая впоследствии переросла в Стандартную модель элементарных частиц, вообще НЕ вписались - поэтому были признаны истинно элементарными частицами, наравне с придуманными кварками. Чтобы объяснить связь кварков в адронах (барионах, мезонах), было предположено существование в природе сильного взаимодействия и его переносчиков - глюонов. Глюоны, как и положено в Квантовой теории, наделили единичным спином, тождественности частицы и античастицы и нулевой величиной массы покоя, как у фотона. В действительности, в природе существует не сильное взаимодействие гипотетических кварков, а ядерные силы нуклонов - и это РАЗНЫЕ понятия.

Прошло 50 лет. Вымышленные кварки так и не были найдены в природе и нам сочинили новую математическую сказочку под названием "Конфайнмент". Мыслящий человек с легкостью увидит в ней откровенное издевательство над фундаментальным законом природы - законом сохранения энергии. Но это сделает мыслящий человек, а сказочники получили устроившее их оправдание, почему в природе нет кварков в свободном виде.

Введенные глюоны также НЕ были найдены в природе. Дело в том, что единичным спином могут обладать в природе только векторные мезоны (и еще одно из возбужденных состояний мезонов), но у каждого векторного мезона имеется античастица. - Поэтому векторные мезоны на кандидаты в «глюоны» никак не подходят, и им не припишешь роль переносчиков вымышленного сильного взаимодействия. Остается девятка первых возбужденный состояний мезонов, но 2 из них противоречат самой Стандартной модели элементарных частиц и их существование в природе Стандартная модель не признает, а остальные неплохо изучены физикой, и выдать их за сказочные глюоны не получится. Есть еще последний вариант: выдать за глюон связанное состояние из пары лептонов (мюонов или тау-лептонов) - но и это при распаде можно вычислить.

Так что, глюонов в природе также нет, как нет в природе кварков и вымышленного сильного взаимодействия. Вы считаете, что сторонники Стандартной модели элементарных частиц этого не понимают - еще как понимают, вот только тошно признать ошибочность того, чем занимался десятилетиями. А потому мы видим все новые математические псевдонаучные сказки, одна из которых: "теория струн".

9 Элементарная частица и "теория струн"

В начале 1970-х годов в квантовой теории появилось новое направление: "теория струн", изучающее динамику взаимодействия не точечных частиц, а одномерных протяжённых объектов (квантовых струн). Была сделана попытка объединить идеи квантовой механики и теории относительности на основе главенства квантовой теории. Ожидалось, что на её основе, будет построена теория квантовой гравитации.

Несколько цитат из Википедии: Теория струн основана на гипотезе о том, что все элементарные частицы и их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий ультрамикроскопических квантовых струн на масштабах порядка планковской длины 10 -35 м. Данный подход, с одной стороны, позволяет избежать таких трудностей квантовой теории поля, как перенормировка, а с другой стороны, приводит к более глубокому взгляду на структуру материи и пространства-времени.

Несмотря на математическую строгость и целостность теории, пока не найдены варианты экспериментального подтверждения теории струн. Возникшая для описания адронной физики, но не вполне подошедшая для этого, теория оказалась в своего рода экспериментальном вакууме описания всех взаимодействий.

Одна из основных проблем при попытке описать процедуру редукции струнных теорий из размерности 26 или 10 в низкоэнергетическую физику размерности 4 заключается в большом количестве вариантов компактификаций дополнительных измерений на многообразия Калаби - Яу и на орбифолды, которые, вероятно, являются частными предельными случаями пространств Калаби - Яу. Большое число возможных решений с конца 1970-х и начала 1980-х годов создало проблему, известную под названием "проблема ландшафта", в связи с чем, некоторые учёные сомневаются, заслуживает ли теория струн статуса научной .

А теперь уточнения:

Электромагнитные поля элементарных частиц не возникают в результате колебаний ультрамикроскопических квантовых струн, а их взаимодействия не являются продуктом взаимодействия этих струн.
Основная трудность квантовой "теории" заключается в отсутствии в природе переносчиков, выдуманных ей взаимодействий, и игнорировании виртуальными частицами фундаментального закона природы - закона сохранения энергии. Что касается перенормировки, то одна ее необходимость указывает на ошибочность такой "теории". Взяли и переписали результат действия законов природы - и это выдается за науку.
Адронной физики в природе нет, поскольку в природе нет адронов. В природе НЕТ кварков с глюонами, а есть просто элементарные частицы, и фундаментальных взаимодействий всего два.
Пространство с размерностью 26 или 10 - а почему не 25 или 11. Манипулируя размерностью пространства, можно построить сколько угодно "теорий", но СКАЗОЧНЫХ. А введение в струнных теориях многомерных объектов - это уж точно из мира математических СКАЗОК.
К теориям относительности у физики тоже есть вопросы: специальная теория относительности (СТО) внутри элементарных частиц не работает, а гравитационное поле для общей теории относительности (ОТО) ничто не создает, кроме сказочных "черных дыр", "создаваемых" этим же самым полем и тем самым противоречащих принципу причинности. - Элементарные частицы создают суперпозицию векторных гравитационных полей, а не некоторое абстрактное математическое гравитационное поле для ОТО.
Ну а квантовую "теорию гравитации" уже строить не нужно - разработана НАУЧНАЯ ТЕОРИЯ ГРАВИТАЦИИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ, из которых состоит вещество Вселенной. Да и гравитонов в природе НЕТ.
Предсказываемые струнными "теориями" тахионы - частицы, движущиеся со скоростью, превышающей скорость света в вакууме, и противоречащие принципу причинности, существуют лишь в таких "теориях" да и в воображении их авторов и сторонников.
Предсказанная струнными "теориями" многомерность Вселенной противоречит экспериментальным данным. Физика установила наличие трех пространственных измерений, а Альберт Эйнштейн к ним в специальной теории относительности (работающей не везде) добавил четвертое мнимое измерение - время. Все прочие измерения Вселенной есть продукт воображения некоторых "теоретиков", ставящих свои желания выше законов природы.

Сторонники теории струн, сравнивая ее со Стандартной моделью элементарных частиц и агитируя за теорию струн, заявляют, что у Стандартной модели есть 19 свободных параметров, для подгонки под экспериментальные данные, а у теории струн их нет.

Они кое-что упускают. Когда Стандартная модель элементарных частиц еще называлась кварковой моделью, ей хватало всего 3-х кварков. Но по мере развития, Стандартной модели потребовалось увеличить число кварков до 6-ти (нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный, истинный), а каждый гипотетический кварк еще и наделить тремя цветами (r, g, b) – получаем 6×3=18 гипотетических частиц. К ним еще понадобилось добавить 8 глюонов. – Модель разрослась для подгонки под новые экспериментальные данные. Но введения цветов у сказочных кварков оказалось мало и некоторые уже заговорили о сложном строении кварков. Другие сторонники Стандартной модели заявляют, что кварки являются формой полевой материи.

Аналогичная судьба ждет и "теорию" струн. Сначала ее сторонники рассказывают математические сказки, выдавая их за высшее достижение науки, а большинство человечества тупо этому верит. Новую математическую квантовую сказку, выдавая ее за последнее слово физики, уже преподают студентам, наивно считающим, что они получают «подлинные знания». За новую сказку станут получать «научные» звания и Нобелевские премии по «физике», как это было уже с математической сказкой о «Бозоне Хиггса». Новая квантовая сказка будет развиваться, разрастаться, и потребуются параметры для подгонки под новые экспериментальные данные. А когда эта математическая сказка также зайдет в ТУПИК и ОБАНКРОТИТСЯ – сочинят новую сказочку. А всего-то произошла подмена старой обанкротившейся квантовой математической сказки, которая уже не может управлять умами людей, на новую аналогичную сказку. – Одну ХИМЕРУ подменили на другую ХИМЕРУ. Человечество получило такую «науку», какой оно достойно. Вот только ФИЗИКЕ это литературное творчество БЕЗ НАДОБНОСТИ .

Каждый школьник, изучавший геометрию и механику, знает, что число измерений пространства равно трем. К ним Эйнштейн, в качестве четвертого мнимого измерения в рамках действия специальной теории относительности, добавил время. Иных измерений у окружающего нас пространства НЕТ. Что касается пространства общей теории относительности, то оно существует только в виртуальном мире этой теории, как и виртуальное пространство специальной теории относительности, может использоваться там, где эта теория РАБОТАЕТ.

Взрослые дяди с "научными" степенями обнаруживают у пространства в 3-9 раз больше измерений, чем есть в действительности, наверно прочно забыв то, чему их учили в школе. Получается, что для природы у пространства есть одна размерность, а для сторонников теории струн – другая, значительно большая. Они что боги, что могут себе создавать собственное пространство под свои "теоретические" построения. Ну а если они НЕ боги, то тогда просто СКАЗОЧНИКИ от науки, спасающие от неизбежного банкротства Квантовую псевдо-теорию. Желание всеми силами удержаться в «науке» понятно, но может, будет честнее и разумнее, распрощаться с этим сборником математических СКАЗОК, и отправить его в архив истории развития физики, как прошлое ЗАБЛУЖДЕНИЕ, а самим сесть за парту вместе со студентами и переучиться Новой ФИЗИКЕ, что очень противно. Помните сказку о голом короле и чем она закончилась для короля - Вам современная действительность ничего не напоминает?

Подведем итог: за умными словами и сверхсложной математикой "теории струн" скрывается псевдонаучная математическая СКАЗКА, построенная на фальшивом фундаменте .

10 Элементарная частица - разное

Сторонники квантовой теории уверены, что в экспериментах по рассеянию наблюдаются следы кварков в протоне. - Но это одно из возможных объяснений.

Возьмем число гипотетических кварков в адроне и разделим его на два - получится главное квантовое число (L ) элементарных частиц в полевой теории. И это не просто совпадение. Дело в следующем: поскольку внутри элементарных частиц вращается переменное электромагнитное поле - в них будут стоячие волны (это описано в волновых теориях). А в стоячих волнах имеются участки с максимальной интенсивностью (пучности), но также имеются точки, в которых интенсивность всегда равна нулю (узлы). Если рассматривать стоячую волну с точки зрения плотности массы, то ее математически можно условно разбить на несколько равных частей (равно числу пучностей) - и это оказывается равным числу гипотетических кварков в адронах.

Отсюда следует еще одно объяснение экспериментов: В экспериментах по рассеянию наблюдаются стоячие волны переменного электромагнитного поля внутри элементарных частиц . Этим и объясняется невозможность их разбиения на отдельные участки - электромагнитное поле непрерывно и не рассыпается на осколки, а преобразуется по законам природы.

11 Новая физика: Элементарная частица - итог

Я не стал рассматривать все теории и теоретические построения, касающиеся элементарных частиц. Остались нерассмотренными:

некоторые научные теории (Волновая теория строения элементарных частиц), которые лучше посмотреть на сайтах авторов,
теоретические построения не соответствующие природе квантовой теории (теории суперструн, М-теория и др.) заведшие физику в квантовый ТУПИК своими математическими СКАЗКАМИ,
псевдонаучные муляжи, имитирующие науку (такие, как Теория бесконечной вложенности материи), за абстрактными идеями, умными словами и часто сложной математикой скрывающие убогую физику.

"Научная" плодовитость некоторых авторов математических сказок и муляжей очень высока, а тратить время на разбор их литературного творчества, выдаваемого за научное - БЕССМЫСЛЕННО. И вообще, публикация в издании, зарабатывающем на науке, не является доказательством, что перед нами НАУЧНЫЙ ТРУД . Публикуют те, у кого есть на это деньги - капитализм в действии.

У полевой теории элементарных частиц нет принципиальных расхождений с волновыми теориями элементарных частиц, поскольку ее можно рассматривать как дальнейшее развитие волнового направления в физике. Если бы в свое время у волнового направления хватило сил противостоять установлению монополии на истину со стороны квантовой теории и Стандартной модели элементарных частиц - сейчас в учебниках физики было бы написано совсем другое .

В 20 веке возлагались большие надежды на "квантовую теорию" и "Стандартную модель элементарных частиц", последняя объявлялась чуть ли не высшим достижением науки, что наконец открыли все, находящиеся в стандартной модели элементарные частицы. Но как оказалось, природа устроена иначе, чем утверждали эти сборники математических сказок. Кварки и глюоны так и не были найдены ни в природе, ни на ускорителях, ни при какой энергии - а без этих кирпичиков из фундамента стандартная модель элементарных частиц всего лишь СКАЗКА . Также в природе не были найдены переносчики взаимодействий, постулированных квантовой теорией, да и число фундаментальных взаимодействий оказалось значительно меньшим - похоронив квантовую "теорию". Ну а сказочка о виртуальных частицах , выдуманная, чтобы заполнить отсутствие в природе сказочных переносчиков сказочных взаимодействий квантовой "теории", теперь тоже рухнула. Закон сохранения энергии, такой нелюбимый квантовой "теорией" и ее "Стандартной" моделью элементарных частиц, действовал в природе до появления этих сборников математических сказок, и продолжает действовать после их неизбежной кончины.

Грянул 21 век и физика изменилась. Теперь Полевая теория элементарных частиц описывает микромир исходя из реально существующих в природе полей, оставаясь в рамках, действующих в природе законов - как и должно быть в науке . Она стала одним из крупнейших открытий Новой физики 21 века и крупнейшим открытием теоретической физики начала 21 века, явилась успешным завершением части работ над созданием Теории поля, длившихся более 100 лет, приведших к построению Научной картины Микромира. Как оказалось, Микромир - это мир дипольных электромагнитных полей, о существовании которых физика 20 века и не подозревала . К этому добавилась теория гравитации элементарных частиц, установившая электромагнитную природу гравитации и похоронившая кучку математических сказок 20 века ("теорий" гравитации, "супер-гравитации", сказку о "бозоне Хиггса"), в том числе и сказку о "Черных дырах". Исследования в области электронных нейтрино нашли:

основной природный источник энергии землетрясений, вулканической деятельности, тектонической деятельности, геотермальной деятельности, теплового потока, исходящего из недр Земли,
природные источники так называемого "реликтового излучения",
еще один природный механизм красного смещения,
похоронили математическую сказку о "Большом взрыве".

Нас ждет еще много захватывающего и интересного, но не ищите этого в мировой Википедии.

Владимир Горунович

Портал для школьника. Самоподготовка

Элементарные частицы

Со времён первого открытия элементарной частицы (электрона) в 1897 году обнаружено уже более 400 элементарных частиц.

По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса:

фермионы - частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);

бозоны - частицы с целым спином (например, фотон).

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы:

адроны - частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:

мезоны (адроны с целым спином, т. е. бозоны);

барионы (адроны с полуцелым спином, т. е. фермионы). К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, - протон и нейтрон.

Фундаментальные (бесструктурные) частицы:

калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:

фотон - частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;

восемь глюонов - частиц, переносящих сильное взаимодействие;

три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны - это кванты разных видов излучения.

Кроме того, в Стандартной Модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, который, впрочем, пока ещё не обнаружен экспериментально.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Элементарная частица

1 История

2 Классификация элементарных частиц

2.1 Классификация элементарных частиц в квантовой теории

2.2 Классификация элементарных частиц в полевой теории элементарных частиц

3 Систематизация элементарных частиц

4 Масса у элементарных частиц

5 Радиус элементарной частицы (определяемый полевой теорией элементарных частиц)

6 Возбужденные состояния элементарных частиц

7 Элементарная частица и теория гравитации элементарных частиц

8 Немного о Стандартной модели элементарных частиц

9 Элементарная частица и "теория струн"

10 Элементарная частица - разное

11 Новая физика: Элементарная частица - итог

СХОЖИЕ СТАТЬИ