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.

ядрами (исключение составляет протон). В эту группу помимо протона входят: нейтрон, электрон, фотон, а также пи-мезоны, мюоны, тяжёлые лептоны (t), нейтрино трёх типов (электронное, мюонное и t-нейтрино), странные частицы (К-мезоны, гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым «очарованием» (J/y,y' и др.), «очарованные» частицы, ипсилон-частицы (?), «красивые» ч-цы, промежуточные векторные бозоны (W ,ZВ°) всего более 350 ч-ц, в осн. нестабильных. Их число продолжает расти (и, скорее всего, неограниченно велико). Большинство перечисл. ч-ц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по совр. представлениям, они (в частности, протон и нейтрон) явл. составными системами (см. ниже). Общее св-во всех этих ч-ц заключается в том, что они явл. специфич. формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы (иногда по этой причине их наз.

«субъядерными ч-цами»). 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.

19 в. Первой открытой Э. ч. был эл-н носитель отрицат. электрич. заряда в атомах (англ. физик Дж. Дж. Томсон, 1897). В 1919 англ. физик Э. Резерфорд обнаружил среди ч-ц, выбитых из ат. ядер, протоны ч-цы с единичным положит. зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу эл-на. Другая ч-ца, входящая в состав ядра,нейтрон была открыта в 1932 англ. физиком Дж. Чедвиком. Представление о фотоне как ч-це берёт своё начало с работы нем. физика М. Планка (1900), выдвинувшего предположение о квантованности энергии эл.-магн. излучения абсолютно чёрного тела. В развитие идеи Планка А. Эйнштейн (1905) постулировал, что эл.-магн. излучение явл. потоком отд. квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые эксперим. доказательства существования фотона были даны амер. физиками Р. Милликеном (1912-15) и A. Комптоном (1922; (см. КОМПТОНА ЭФФЕКТ)). Существование нейтрино как особой Э. ч. впервые предположено B. Паули (1930); экспериментально электронное нейтрино открыто лишь в 1953 (амер. физики Ф. Райнес, К. Коуэн). Позитрон ч-ца с массой эл-на, но с положит. электрич. зарядом, была обнаружена в составе косм. лучей амер. физиком К. Андерсоном в 1932. Позитрон был первой открытой античастицей (см.

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.

физиком X. Юкавой в 1935. В кон. 40-хнач. 50-х гг. была открыта большая группа ч-ц с необычными св-вами, получивших назв. «странных». Первые ч-цы этой группыК+и К --мезоны, L-гипероны были обнаружены в косм. лучах. Последующие открытия странных ч-ц были сделаны с помощью ускорителей заряж. ч-ц. С нач. 50-х гг. ускорители превратились в осн. инструмент для исследования Э. ч. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960), а в 1964 самый тяжёлый гиперон W-. В 1960-х гг. на ускорителях было обнаружено большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными, точнее, квазистабильными, Э. ч.) ч-ц, получивших назв. резонансов, составляющих осн. часть Э. ч. В 1962 выяснилось, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1974 были обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые (по сравнению с обычными резонансами) J/y и y'-частицы.

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.

Мир Э. ч. оказался очень сложно устроенным, а их св-ва во мн. отношениях неожиданными. Основные свойства. Классы взаимодействий. Все Э. ч. явл. объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6•10-24 г (для ч-ц с ненулевой массой заметно меньше лишь масса эл-на: 0,9•10-27 г). 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. ч. при изуч. энергиях заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим вз-ствия Э. ч. феноменологически делят на неск. классов: сильное, эл.-магн. и слабое. Кроме того, все Э. ч. обладают гравитац. вз-ствием. Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с др.

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.

В пределе самых больших энергий деление вз-ствий Э. ч. на классы, по-видимому, утрачивает физ. смысл (см. ВЕЛИКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ). В зависимости от участия в тех или иных видах вз-ствий все изуч. Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две осн. группы: адроны и лептоны. Адроны характеризуются наличием у них сильного вз-ствия наряду с эл.

-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.

, обычно образуют совокупность целых или дробных чисел, к-рые наз. квант. числами Э. ч.). Общими хар-ками всех Э. ч. явл. масса т, время жизни т, спин J и электрич. заряд Q. В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными в пределах точности совр.

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.

спина I3, и соответствующие значения их электрич. зарядов даются обобщённой ф-лой Гелл-Мана Нишиджимы: Q = I3 +Y/2, где Y=B+S+C-b т. н. гиперзаряд адрона, равный удвоенному ср. заряду ч-цы в изотопич. мультиплете. Важная хар-ка адронов внутр. чётность Р, принимающая значения В±1. Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного из квант. чисел Q, L, В, S, С, b существуют античастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина и для адронов изотопич. спина, но с противоположными знаками указанных квант. чисел, а для барионов с противоположным знаком внутр.

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.

Спин J точное квант. число. На уровне совр. знаний точными явл. и квант. числа Q, В, L, хотя теоретически допустимы нарушения сохранения В и L. Большинство квант. чисел адронов неточные. Изотопич. спин, сохраняясь в сильном вз-ствии, не сохраняется в эл.-магн. и слабом. Странность, «очарование», «красота» сохраняются в сильном и эл.

-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.

ч. В табл. 1 приведены наиб. хорошо изученные Э. ч. и их квант. числа. Из неё следует, что осн. часть 0. ч.адроны. Классификация адронов. Унитарная симметрия. Большое число адронов уже в нач. 50-х гг. явилось основанием для поисков закономерностей в распределении масс и квант. 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.

ч-ц со спином 1/2: u-, d-, s-кварков (совр. обозначения), из к-рых построены адроны. Наблюдаемая размерность унитарных мультиплетов (8 и 10) была воспроизведена при допущении, что мезоны составлены из кварка (q) и антикварка (q=),символически: М=(qq=), a барионы из трёх кварков,символически: В=(qqq).

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.

Н. Боголюбов с сотрудниками, 1965; Й. Намбу и М. Хан (США), 1965). Введение трёх «цветов» позволяет в принципе построить систематику адронов и на основе кварков с целыми электрич. и барионными зарядами, хотя эксперимент скорее всего не свидетельствует в пользу такой возможности. В наблюдаемых адронах кварки разных «цветов» скомбинированы т.

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.

массы m кварков, входящих в адроны, подчиняются след. закономерности: mu ?md < ms .