Розділ і. Елементарні частинки 1.1 Елементарні частинки та їх класифікація

Поняття «елементарна частинка» у фізиці виникло у зв'язку з ідеєю відшукання неподільних частинок, з яких складається вся матерія. Неподільність спочатку приписували атомам, потім - ядрам, потім - нуклонам.

Вперше про елементарні частинки, як складові будь-якого атома стали говорити наприкінці XIX - початку XX століття. Саме в цей час було показано, що атоми можуть перетворюватися один в одного, при радіоактивних перетвореннях. Відкриті катодне і рентгенівське випромінювання, випускання яких різними атомами свідчило про подібну будову усіх атомів.

Наступними етапами при дослідженні будови атома було відкриття атомного ядра (1911 р.) і його складових частин: протона (1919 р.) і нейтрона (1932 р.).

Елементарними частинками сучасна фізика умовно називає велику групу найдрібніших мікрочастинок, які не є атомами чи атомними ядрами (за винятком протона, який є ядром атома водню). В даний час до «істинно» елементарних прийнято відносити такі частинки (і їх античастинки):

1) лептони (е, μ, τ і відповідні їм нейтрино);

2) кварки;

3) фотони і проміжні бозони W ^±, Z ^0.

В даний час відкрито і досліджено так багато елементарних частинок, що для їх позначення вже використані всі вільні літери грецького алфавіту і багато літер латинського алфавіту. Причому існують ізотопічні (зарядові) мультиплети частинок, всі члени яких позначаються однаковими буквами (наприклад, Σ ^+, Σ ^-, Σ ⁰ тощо). Крім того, для позначення частинок використовуються букви зі штрихами, з зірочками і з цифрами. Взагалі, кількість елементарних частинок (включаючи нестабільні частки - резонанси) разом з античастинками в кілька разів перевищує число елементів періодичної системи Менделєєва, тому стає досить безглуздим вважати їх елементарними.

Всі частинки (у тому числі і неелементарному частинки і квазічастинки) поділяються на бозони і ферміони. Бозони (або бозе-частинками) називаються частки або квазічастинки, що володіють нульовим або цілочисловим спіном. Бозони підкоряються статистиці Бозе-Ейнштейна (звідси і їхня назва). До бозонів належать: гіпотетичний гравітон (спін 1/2), фотон (спін 1), проміжні векторні бозони (спін 1), глюони (спін 1), мезони і мезонні резонанси, а також античастинки усіх перерахованих частинок. Частинки або квазічастинки з напівцілим спіном називаються ферміонами (або фермі-частинками). Для них справедливий принцип Паулі, і вони підкоряються статистиці Фермі-Дірака (звідси і їхня назва). До ферміонів відносяться: лептони, всі баріони та баріонні резонанси, кварки (спін 1 / 2), а також відповідні античастинки.

За часом життя τ розрізняють стабільні, квазістабільні і резонансні частинки. Останні для стислості називають просто резонансами. Резонансними називають частинки, які розпадаються за рахунок сильної взаємодії з часом життя 10 ^-23 с. Нестабільні частинки, час життя яких перевищує 10 ^-20 с, розпадаються за рахунок електромагнітного або слабкого, але не за рахунок сильної взаємодії. Ці частинки відносять до квазістаціонарним. Час 10 ^-20 с, нікчемний у повсякденних масштабах, має вважатися великим, якщо його порівнювати з ядерним часом. Ядерний час-це час, потрібний світлу на проходження діаметра ядра (10 ^-13 см). Навіть за час 10 ^-20 світло встигає пробігти відстань у 10 ³ -10 ⁴ нуклонних діаметри. За цей час може відбутися ще багато внутрінуклонних процесів. Ось чому частинки, названі нами квазістабільними, у довідниках називають просто стабільними. Втім, абсолютно стабільними частками є, мабуть, тільки фотон γ, електрон е ^-, протон р, електронне ν _е, мюонне ν _μ і таонное ν _τ нейтрино та їх античастинки - розпад всіх цих частинок на досвіді не зареєстрований.

Розпади можуть відбуватися по сильній, електромагнітної і слабкої взаємодій. Найбільш швидко відбуваються розпади по сильній взаємодії - такі розпади резонансів. Квазістабільні частки розпадаються за рахунок слабкої або електромагнітної взаємодії. Вони стали б абсолютно стійкими, якщо б можна було подумки «вимкнути» ці взаємодії, залишивши тільки сильне. Найбільш стабільними резонансами є частинки J / ψ і ү, для яких τ ≈ 10 ^-20 с. Вони відносяться до резонансів тому, що у них є канали розпаду, зумовлені сильним взаємодією, але ці розпади пригнічені законами збереження чарівності і краси при сильних взаємодіях.

В силу малого часу життя τ, резонанси не володіють певною масою. Це видно зі співвідношення невизначеностей Гейзенберга Δ *Τ ≈ h. Резонанси описуються безперервним спектром мас. Положення максимуму цього спектру і називається масою резонансу. Ширина спектру Г визначається звичайним співвідношенням Г ≈ ħ / τ. При дуже малому часові життя вона буває порівнянна зі значенням самої маси резонансу. Саме ширина Г (а не τ) зазвичай і наводиться в таблицях в якості запобіжної нестабільності резонансу. Так, при τ ≈ 10 ^-23 отримуємо Г ≈ 100 МеВ. Тому резонансами можна назвати частинки з великою шириною спектру мас Г ≈ 100 МеВ.

Особливу групу елементарних часток становлять фотони, які є переносниками електромагнітної взаємодії, і споріднені з ними W ^±, Z ^o - бозони, які є носіями слабкої взаємодії. Ці чотири частинки утворюють групу так званих носіїв взаємодії. До носіїв взаємодії відносяться і глюони, а також гіпотетичні-Гравітон. Всі інші частинки поділяються на лептони і адрони. Так як дана робота присвячена кварковій структурі адронів, тому приділим увагу адронам.