Элементарные частицы и их свойства

     Квантовая теория поля продолжает развиваться  и совершенствоваться и является основой для описания взаимодействий Э. ч. У этой теории имеется ряд  существенных успехов, и всё же она  ещё очень далека от завершённости  и не может претендовать на роль всеобъемлющей теории Э. ч. Происхождение  многих свойств Э. ч. и природа  присущих им взаимодействий в значительной мере остаются неясными. Возможно, понадобится  ещё не одна перестройка всех представлений  и гораздо более глубокое понимание  взаимосвязи свойств микрочастиц  и геометрических свойств пространства-времени, прежде чем теория Э. ч. будет построена. 

      1.1 Основные свойства элементарных частиц

     Все Э. ч. 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. Размеры электрона  и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10-15 лежат  в основе квантовой специфики  их поведения. Характерные длины  волн, которые следует приписать  Э. ч. 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 Э. ч.

     Наиболее  важное квантовое свойство всех Э. ч. - их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при  взаимодействии с др. частицами. В  этом отношении они полностью  аналогичны фотонам. Э. ч. - это специфические  кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей. Все процессы с Э. ч. 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 Э. ч. 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 Э. ч. подобен распаду возбуждённого  атома на атом в основном состоянии  и фотон. Примерами распадов Э. ч. могут служить: p+ ® m+ + vm; К+ ® p+ + p0 (знаком "тильда" над символом частицы  здесь и в дальнейшем помечены соответствующие античастицы).

     Различные процессы с Э. ч. заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия Э. ч. можно  феноменологически разделить на несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все Э. ч. 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  Э. ч. 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 Э. ч. 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 Э. ч. 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 т. н. квазистабильных Э. ч. Времена жизни этих частиц лежат  в диапазоне 10-8-10-10 сек, тогда как  типичные времена для сильных  взаимодействий Э. ч. составляют 10-23-10-24 сек.

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

     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 Э. ч., 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 (тр); минимальную массу среди  адронов имеет p-мезон: тp"м 1/7×тр. Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики ( 0,1 mp), 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. 
 

      1.2  Характеристики элементарных частиц

     Каждая  Э. ч., 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 Э. ч. и задают только их, опуская  единицы измерения.

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

     В зависимости от времени жизни  Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные  и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных  измерений, являются электрон (t > 5×1021 лет), протон (t > 2×1030 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 Э. ч., 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  Э. ч. 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 Э. ч. 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 Э. ч. 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 Э. ч. являются целыми кратными от величины е "1,6×10-19 к, называются элементарным электрическим зарядом. У известных Э. ч. Q = 0, ±1, ±2.

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

     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 Э. ч. 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| ¹ 0, 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 I3, и 

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

     Для всех Э. ч. 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 p0.

     Квантовые числа Э. ч. 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 Э. ч. 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 Э. ч.