Физическая энциклопедия - элементарные частицы

Введение. Э. ч. в точном значении этого термина первичные, далее неразложимые ч-цы, из к-рых, по предположению, состоит вся материя. В совр. физике термин «Э. ч.» обычно употребляется не в своём точном значении, а менее строго для наименования большой группы мельчайших ч-ц материи, подчинённых условию, что они не явл. атомами или ат.

В соответствии со сложившейся практикой термин «Э. ч.» употребляется ниже в кач-ве общего назв. субъядерных ч-ц. При обсуждении ч-ц, претендующих на роль первичных элементов материи, будет использоваться термин «истинно Э. ч.». Краткие исторические сведения. Открытие Э. ч. явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения в-ва, достигнутых физикой к кон.

ниже). В 1936 Андерсон и С. Неддермейер (США) обнаружили при исследовании косм. лучей мюоны (обоих знаков электрич. заряда) ч-цы с массой ок. 200 масс эл-на, а в остальном удивительно близкие по св-вам к еи е+ . В 1947 также в косм. лучах группой англ. физика С. Пауэлла были открыты p+и p--мезоны. Существование подобных ч-ц было предположено япон.

Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч.«очарованных», первые представители к-рого (DВ°, D+ , F+ , L+c) были открыты в 1976. В 1975 был открыт тяжёлый аналог эл-на и мюона t-лептон, в 1977 ?-частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981«красивые» ч-цы, а в 1983промежуточные векторные бозоны. Т. о., за годы, прошедшие после открытия эл-на, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц.

Размеры протона, нейтрона, p-мезона и др. адронов порядка 10-13 см, а эл-на и мюона не определены, но они меньше 10-16 см. Микроскопич. массы и размеры Э. ч. обусловливают квант. специфику их поведения. Характерные де-бройлевские длины волн Э. ч., как правило, сравнимы или больше их типичных размеров. В соответствии с этим квант. закономерности явл.

определяющими в поведении Э. ч. Наиболее важное квант. св-во всех Э. ч.способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при вз-ствии с др. ч-цами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Все процессы с Э. ч. (включая распады) протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Разл. процессы с Э.

процессами, интенсивностью, и приводит к самой сильной связи Э. ч. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов. В основе электромагнитного взаимодействия лежит связь ч-ц с эл.-магн. полем. Обусловленные им процессы менее интенсивны, чем процессы сильного вз-ствия, а порождаемая им связь Э. ч. заметно слабее.

Эл.-магнитное взаимодействие, в частности, ответственно за связь ат. электронов с ядрами и связь атомов в молекулах. Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с Э. ч., в том числе распады квазистабильных Э. ч., времена жизни большинства к-рых лежат в диапазоне 10-6-10-14с. Гравитац. вз-ствие на характерных для Э.

ч. расстояниях =10-13 см даст чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс Э. ч., но может быть существенным на расстояниях =10-33 см (см. ниже). «Силу» разл. классов вз-ствий Э. ч. можно приближённо охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант связи для соответствующих вз-ствий. Для сильного, эл.-магн., слабого и гравитац.

вз-ствий протонов при энергии процесса в системе центра инерции (с. ц. и.) =1 ГэВ эти параметры соотносятся как 1:10-2:10-10:10-38. Необходимость указания энергии процесса связана с тем, что для слабого вз-ствия безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами интенсивности разл. процессов по-разному зависят от энергии. Это приводит к тому, что относит.

роль разл. вз-ствий, вообще говоря, меняется с ростом энергии ч-ц, так что разделение вз-ствий на классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные классы вз-ствий имеют, однако, и др. специфику, связанную с разл. св-вами их симметрии, к-рая способствует их разделению и при более высоких энергиях.

-магн. и слабым, лептоны участвуют только в эл.-магн. и слабом вз-ствиях. (Наличие гравитац. вз-ствия у всех Э. ч., включая фотон, подразумевается.) Характеристики Э. ч. Каждая Э. ч. наряду со спецификой присущих ей вз-ствий описывается набором дискр. значений определ. физ. величин -своими хар-ками (дискр. значения, измеренные в соответствующих ед.

измерений явл. эл-н (t>5•1021 лет), протон (t>1031 лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят ч-цы, распадающиеся за счёт эл.-магн. и слабого вз-ствий; их времена жизни t>10-20 с. Резонансами наз. Э. ч., распадающиеся за счёт сильного вз-ствия; их характерные времена жизни 10-22 -10-24 с. Спин Э. ч. явл. целым или полуцелым кратным постоянной Планка п.

В этих ед. спин яи К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и эл-на J=1/2, у фотона J=1 и т. д. Существуют ч-цы и с большим спином. Электрич. заряды Э. ч. явл. целыми кратными величины е»1,6•10-19 Кл, наз. элементарным электрическим зарядом. У известных Э. ч. Q=0, В±1, В±2. Помимо указанных величин, Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом квант.

чисел, к-рые наз. «внутренними». Лептоны несут специфич. лептонный заряд (L): электронный Le, равный +1 для еи ve, мюонный Lm, равный +1 для mи vm , и Lt , связанный с t-лептоном (Lt =+1 для t-и -1 для t+). Для адронов L=0. Адронам с полуцелым спином приписывают барионный заряд В(В¦ВВ¦=1). Адроны с B=+1 образуют подгруппу барионое, с В=0 подгруппу мезонов. Для лептонов В=0.

Для фотона B=0 и L=0. Адроны подразделяются на обычные (нестранные) ч-цы (протон, нейтрон, p-мезоны), странные ч-цы, «очарованные» и «красивые» ч-цы. Этому делению отвечает наличие у адронов особых квант. чисел: странности S, «очарования» С и «красоты» b. Внутри разных групп адронов имеются семейства ч-ц, близких по массе, с очень сходными св-вами по отношению к сильному вз-ствию, но с разл.

значениями электрич. заряда. Э. ч., входящие в каждое такое семейство (простейший пример к-рого протон и нейтрон), имеют общее квант. число изотопический спин I (см. ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ), принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Семейства наз. изотопич. мультиплетами. Число ч-ц в мультиплете равно 2I+1; они отличаются друг от друга значением «проекции» изотопич.

чётности. Ч-цы, тождественные своим античастицам, наз. истинно нейтральными. Истинно нейтр. адроны обладают спец. квант. числом зарядовой чётностью С со значениями В±1; примеры таких ч-ц фотон, pВ°, ?-частицы. Квант. числа Э. ч. разделяются на точные, т. е. сохраняющиеся во всех процессах, и неточные, к-рые в ряде процессов не сохраняются.

-магн. вз-ствиях, но не сохраняются в слабом. Слабое вз-ствие изменяет также внутр. и зарядовую чётности. Причины несохранения квант. чисел адронов неясны и, по-видимому, связаны со структурой эл.-магн. и слабого вз-ствий. Сохранение или несохранение тех или иных квант. чисел одно из существ. проявлений различий классов вз-ствий Э.

чисел барионов и мезонов, к-рые могли бы составить основу их классификации. Выделение изотопич. мультиплетов адронов было первым шагом на этом пути. С матем. точки зрения объединение адронов в изотопич. мультиплеты отражает наличие у них симметрии, связанной с группой унитарных преобразований в нек-ром двумерном «внутр. пр-ве» «изотопич.

пр-ве» (с группой SU(2)). Изотопические мультиплеты суть неприводимые представления группы SU(2). Концепция симметрии как фактора, определяющего существование разл. групп и семейств Э. ч., явл. ведущей в совр. теории Э. ч. Наличие «внутр.» квант. чисел, характеризующих эти семейства (таких, как изотопич. спин и др.), отражает существование симметрии относительно преобразований в особых, приписываемых Э.

ч. «внутренних пр-вах». Детальное рассмотрение позволило сделать вывод о том, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения ч-ц с близкими св-вами, чем изотопич. мультиплеты. Они наз. унитарными мультиплетами. Числа входящих в них ч-ц равны 8 (октет) и 40 (декуплет). Ч-цы такого мультиплета имеют одинаковые спин и внутр.

чётность, но различаются значениями не только электрич. заряда (как ч-цы изотопич. мультиплета), но и странности. Пример унитарных октетов: мезонов, Jp= 0-: p+, pВ°, p-, h, К+, КВ°, К-, К=В°, барионов, Jp = 1/2+: S+ , SВ°, S-, L, p, n, X-, XВ° и унитарного декуплета барионов: Jp=3/2+ : D1++, D1+, D, L1-, S*+, S*В°, S*-, X*-, X*В°, W-. Возникновение унитарных мультиплетов истолковывается как проявление существования у адронов группы симметрии более широкой, чем SU(2), а именно группы SU(3).

Соответствующая симметрия получила назв. унитарной симметрии; 8 и 10 размерности неприводимых представлений группы SU(3). Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая. В соответствии с этим различие в массах ч-ц, входящих в унитарные мультиплеты, довольно значительно. Открытие «очарованных» и «красивых» адронов позволяет говорить об унитарных сверхмультиплетах и о существовании ещё более широких симметрии, связанных с унитарными группами SU(4) и SU(5), хотя и сильно нарушенных.

Обнаружение у адронов св-в симметрии, связанных с унитарными группами, и закономерностей разбиения на мультиплеты, отвечающие строго определ. представлениям этих групп, явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из к-рых построены адроны, кварков. Кварковая модель адронов. Теория унитарных групп позволяет построить все представления группы SU(n) (и, следовательно, все мультиплеты адронов), повторяя определ.

число раз самое простое представление группы, содержащее n компонент. Допуская наличие ч-ц (кварков), связанных с этим простейшим представлением, можно заключить, что все адроны явл. комбинациями кварков. Такое допущение было сделано в 1964 (Г. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман, США). Исходя из SU(3)-симметрии, они предположили наличие трёх фундам.

В дальнейшем с учётом новых эксперим. фактов эта модель строения адронов была расширена путём включения в неё ещё двух кварков: «очарованного» (с) и «красивого» (b). Все эксперим. данные хорошо согласуются с предлож. моделью. Табл. 1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ Примечание. Слева звёздочкой помечены резонансы, для к-рых вместо времени жизни т приведена ширина Г=С›/t.

Истинно нейтр. ч-цы помещены посередине между ч-цами и античастицами. Члены одного изотопич. мультиплета расположены на одной строке (в тех случаях, когда известны хар-ки каждого члена мультиплета, -с небольшим смещением по вертикали). Изменение знака внутр. чётности Р у антибарионов, так же как изменение знаков S и С у всех античастиц, не указано.

Для лептонов, участвующих в характерном для них слабом вз-ствии, Р не явл. хорошим (сохраняющимся) квант. числом и поэтому не приведена. Табл. 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ КВАРКОВ Из теории получаются квант. числа кварков, приведённые в табл. 2. Отличительная их черта дробные значения электрич. и барионного зарядов, не встречающиеся ни у одной из наблюдавшихся Э.

ч. С индексом а у каждого типа («аромата») кварка qi (i=l, 2, 3, 4, 5) связана особая хар-ка«цвет», введение к-рой понадобилось для того, чтобы не возникало противоречия с принципом Паули при построении адронов, состоящих из трёх одинаковых кварков (D++(uuu), D(ddd), W-(sss)). Индекс a принимает значения 1, 2, 3, т. е. каждый тип кварка qi представлен тремя разновидностями qai(Н.

о., что возникающие состояния не несут «цвета» явл. «бесцветными». В табл. 2 но приведены массы кварков. Это связано с тем, что кварки пока выступают лишь как составные части адронов,в свободном состоянии они не наблюдались, и их массы непосредственно невозможно было измерить. На основании величин масс разл. связ. состояний кварков (обычные, странные, «очарованные» адроны, ?-частицы) можно только заключить, что эфф.