3. Характеристика элементарных частиц

1). Масса покоя m₀ = 0 – 10^-26 кг.

2). Размеры r ^-15 м.

Размеры электрона и мюона пока не определены.

3). Общими характеристиками всех элементарных частиц являются:

— m – масса

– время жизни;

—Ј– спин;

- электрический заряд.

Электрический заряд элементарных частиц является целым кратным элементарному заряду (е = 1,6•10^-19 Кл). У известных элементарных частиц Дробным зарядом по отношению к элементарному заряду обладают кваврки.

4). «Внутренние» квантовые числа:

• L – лептонный заряд,

• В – барионный заряд,

• S - странность,

• С – «очарование»,

• b - «красота»,

• I – изотопический спин,

• с – зарядовая четность.

Изотопические мультиплеты. Изотопический спин

Изотопические мультиплеты – адроны, имеющие близкие массы, и отличающиеся зарядами.

Пример: дублет (Р и n); триплет (π⁺, π^-, π⁰ – мезоны).

Изотопический спин I – внутренняя характеристика адронов, определяющаяся числом (n) частиц в изотопическом мультиплете:

n = 2I + 1.

Пример: для нуклонов I = 1/2 (число нуклонов в мультиплете n = 2); изоспин пиона I = 1 (в пионом мультиплете n = 3).

Справедлив закон сохранения изотопического спина:

Во всех процессах, связанными с превращениями элементарных , обусловленными зарядово-независимыми сильными взаимодействиями, изотопический спин сохраняется.

Изотопический спин I приписывается только частицам, участвующим в сильном взаимодействии.

Странность. Закон сохранения странности

Опытным путем установлено, что Λ⁰ – гиперон всегда рождается К⁰ – мезоном (Р + π^- → Λ⁰ + К⁰). Особенности поведения гиперонов и мезонов оказалось возможным объяснить с помощь квантового числа S – странности, которая сохраняется только в процессах сильного и электромагнитного взаимодействий.

Если приписать К – мезонам странность S = 1, а Λ⁰ и ∑ - гиперонам S = - 1и считать, что у нуклонов и π – мезонов S= 0, то сохранение странности частиц в сильном взаимодействии объясняет совместное рождение Λ⁰ – гиперона и К⁰ – мезона.

Из закона сохранения странности следовало существование частиц, таких как К⁰ – мезон, ∑⁰ и Ξ⁰ – гиперон, которые впоследствии были обнаружены экспериментально.

Чётность. Закон сохранения чётности

Четность с – квантовое число, характеризующее симметрию волновой функции элементарной частицы (или системы элементарных частиц) относительно зеркального отражения.

Если при зеркальном отражении волновая функция частицы Р = + 1 (чётность положительная), если же меняет знак, то четность частицы Р = - 1 (чётность отрицательная).

Закон сохранения четности: при всех превращениях, претерпеваемой системой частиц, четность состояния не изменяется.

Закон сохранения чётности выполняется только при сильных и электромагнитных взаимодействиях.

4. Классификация элементарных частиц

По массе

Все элементарные частицы подразделяются по массе на 4 класса: фотоны, лептоны, мезоны и барионы. Мезоны и барионы объединяются в класс адронов.

1). Фотоны (⁰₀ ) – нейтральная безмассовая частица, квант электромагнитного поля, переносчик электромагнитного взаимодействия.

Масса покоя: m_o= 0 (в покое фотон не существует); энергия фотона: ε_ɤ = hυ; спин фотона: Ј = 1, т.е. фотон является бозоном.

Спин фотона имеет лишь два направления: параллельное и антипараллельное импульсу, что соответствует правой и левой циркулярной поляризации.

Время жизни фотона: т.е. фотон абсолютно стабилен.

2). Лептоны – элементарные частицы с массой покоя меньше 250 электронных масс, не участвующие в сильном взаимодействии, являются фермионами (m₀ 250 m_e; Ј = 1/2).

К лептонам относятся электрон (_-1 ⁰e), мюоны (μ), таоны ( , электронное нейтрино (₀ ⁰υ_е), мюонное нейтрино (₀ ⁰υ_μ).

Лептонам приписывают лептонное число: L = 1 – для лептонов, : L = - 1 – для антилептонов, L = 0 – для всех остальных частиц.

Закон сохранения лептонного заряда: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонный заряд сохраняется.

Пример: ₀ ¹n → ₁ ¹P + _-1 ⁰e + ₀ ⁰ῦ_e;

₁ ¹Р → ₀ ¹n + ₊₁⁰e + ₀ ⁰υ_е.

Электрон (_-1 ⁰е): масса покоя m_e = 9,11•10^-31 кг; электрический заряд е = 1,6•10^-19 Кл; спин Ј = 1/2, т.е. является фермионом; время жизни τ 5•10²¹ лет, т.е. стабилен. Имеется античастица ₊₁⁰e – позитрон.

Мюоны – исторически ошибочное название, относятся к лептонам.

Известно три типа мюонов: μ⁺, μ^-, μ⁰ – мезоны; впервые были открыты в составе космического излучения: масса покоя m_μ = 206,8 m_e; спин Ј = 1/2, т.е. является фермионом; время жизни τ = 2,2•10^-6 с, т.е. нестабилен.

Распадается за счет слабого взаимодействия по схеме:

μ⁺ → ₊₁⁰e + ₀ ⁰υ_е. + ₀ ⁰ῦ_μ;

μ^- → _-1 ⁰e + ₀ ⁰ῦ_e + ₀ ⁰υ_μ.

3). Адроны – общее наименование для элементарных частиц, участвующих в сильном и других типах взаимодействий.

Адроны подразделяются на барионы и мезоны. В класс адронов входят протоны, нейтроны, гипероны, мезоны. Адронам приписывается барионное число В.

Мезоны - частицы средней массы, имеющей массу покоя свыше 250 электронных масс; являются бозонами (m₀ 250 m_e; Ј = 0; В =0; L = 0).

К мезонам, в частности относятся: π –мезоны, К – мезоны, η⁰ – мезоны.

Пионы:

Существуют три вида пи-мезонов: π⁺, π^-, π⁰ – мезоны.

Массы покоя: m₀ = 264,1 - 273,1 m_e; спин Ј = 0; время жизни τ = (2,6•10^-8 - 0,8•10^-16) с.

Схемы распада: π⁺ → μ⁺ + ₀ ⁰υ_μ;

π^- → μ^- + ₀ ⁰ῦ_μ;

π⁰ → 2 ⁰₀ .

Каоны:

Существуют три типа каонов: К⁺, К^-, К⁰ – мезоны.

Масса покоя: m₀ = 970 m_e; время жизни τ = (10^-8 - 10^-10) с.

Схемы распада: К⁺ → μ⁺ + ₀ ⁰υ_μ или К⁺ → π⁺ + π^-;

К^- → μ^- + ₀ ⁰ῦ_μ или К^- → π^- + π⁰.

Барионы – тяжелые элементарные частицы с массой покоя свыше 1800 электронных масс, являются фермионами.

К барионам относятся протоны, нейтроны, гипероны и др.

Барионный заряд: В = +1 – для барионов, В= -1 – для антибарионов, В = 0 – для всех остальных частиц.

Закон сохранения барионного заряда: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц барионный заряд сохраняется.

Из этого закона следует, что при распаде барионов наряду с другими частицами обязательно образуются барионы.

Барионы и мезоны не могут слабо взаимодействовать друг с другом.

Гипероны – тяжелые нестабильные частицы с массой большей массы нуклонов, обладающие барионным зарядом и большим времени жизни по сравнению с ядерным временем (τ 10^-23 с).

Известно несколько типов гиперонов: лямбда (Λ⁰), сигма (∑⁰; ∑⁺; ∑^-), кси ( Ξ⁰; Ξ⁺; Ξ^-) и омега (Ω^-).

Масса покоя: m₀ = 2183 – 3273 m_e; спин Ј = 1/2 (для Ω^-: Ј = 3/2), время жизни τ 10^-10 с.

Участвуют в сильных взаимодействиях, распадаются на нуклоны и легкие частицы (π – мезоны, электроны, нейтрино, гамма-кванты). Каждый гиперон имеет свою античастицу.

Адроны - составные частицы, обладающие внутренней структурой. Адронов много, несколько сотен. Большинство адронов являются резонансами – нестабильными частицами.

По времени жизни

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, метастабильные и нестабильные (резонансы).

Стабильными в пределах точности современных измерений являются: фотоны (τ → ), нейтрино (τ → ), электроны (τ 5•10²¹ лет), протоны (τ ^30-33 лет).

К метастабильным относятся адроны, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий (τ ^-23 с).

Резонансами называются элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия (τ ^-24 – 10^-23 с).

Группа резонансов включает несколько сотен частиц.