12.6 Элементарные частицы и их свойства

12.6.1 Общие свойства элементарных частиц

Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В современной физике этот термин употребляется не в своём точном значении, а менее строго – для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон). Элементарные частицы— это специфические кванты материи, более точно — кванты соответствующих физических полей.

Наиболее важное квантовое свой­ство всех элементарных частиц— способность рождать­ся и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Все процессы с элементарными частицами протекают через последователь­ность актов их поглощения и испуска­ния. Только на этой основе можно понять, например, процесс рождения ⁺-мезона при столкновении двух протонов ( р + р  р + n + ⁺ ) или про­цесс аннигиляции электрона и пози­трона, когда взамен исчезнувших ча­стиц возникают два -кванта: е⁺ + е^-   + . Процессы уп­ругого рассеяния частиц, например, е^-+ р е^-+ р, также связаны с погло­щением начальных и рождением ко­нечных частиц. Распад нестабильных элементарных частиц 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 элементарных частиц подобен рас­паду возбуждённого атома на основ­ное состояние и фотон. Примерами распадов элементарных частиц могут служить: , (знаком «тильда» над символом частицы здесь и в дальнейшем помече­ны соответствующие античастицы).В настоящее время общее число известных элементарных частиц (вместе с античастицами) приближается к 400. Для описания свойств отдельных элементарных частиц вводится целый ряд физических величин, значениями которых они и различаются. Наиболее известными среди них являются масса, среднее время жизни, спин, электрический заряд, магнитный момент.

Масса и размеры. Все элементарные частицы являются объектами исклю­чительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6 •10^-27 кг (заметно меньше лишь масса электрона: 9,1^.10^-31 кг). Определённые из опыта размеры про­тона, нейтрона, -мезона по порядку величины составляют 10^-15 м. Раз­меры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10^-17 м. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают кван­товую специфику их поведения. Ха­рактерные длины волн, которые следует приписать элементарным частицам в квантовой теории ( ), где — постоянная Планка, т — масса частицы, с — скорость света), по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуще­ствляется их взаимодействие (например, для -мезона  1,4 •10^-15 м). Это и приводит к тому, что квантовые за­кономерности являются определяющи­ми в поведении элементарных частиц. Масса элементарных частиц выражается в энергетических единицах (МэВ или ГэВ) в соответствии с соотношением Эйнштейна W= тc². Иными словами, в таблицах приводится фактически не масса т частиц, а их энергия покоя W₀. Это удобно при составлении уравнений энергетического баланса для процессов взаимопревращений элементарных частиц. Укажем массы некоторых частиц:

m_= 0, m_e = 0,51 МэВ, m_p = 938,3 МэВ, m_n = 939,6 МэВ.

Наиболее тяжелая из известных сейчас элементарных частиц (промежуточный бозон) почти в 100 раз массивнее протона.

Среднее время жизни элементарной частицы  служит мерой стабильности частицы и выражается в секундах. Период полураспада Т_1/2 в физике элементарных частиц не употребляется, а в качестве меры стабильности резонансов принимают ширину Г~ , выражаемую в энергетических единицах.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными в пределах точно­сти современных измерений являются элек­трон (>5^.10³¹ лет), протон (>10³⁰ лет), фотон и нейтрино. К квазиста­бильным относят частицы, распадаю­щиеся за счёт электромагнитного и слабого взаимодействий. Их времена жизни 10^-20 сек . Нейтрон — квазистабильная частица, и последнее экспериментальное значение его среднего времени жизни (1986 г.) равно (898 ± 16) с. Существуют группы частиц со средним временем жизни порядка 10^-6, 10^-8, 10^-10, 10^-13 с. У наиболее короткоживущих частиц, называемых резонансами,  ~ 10^-24-10^-23 с. Для нестабильных частиц в таблицах наряду со временем жизни указываются также типы распадов.

Спин — это собственный момент импульса частицы, т. е. ее момент импульса в системе отсчета покоя. Спин не имеет классического аналога, так как элементарную частицу нельзя представлять себе в виде вращающегося шарика. Обычно спин J выражается в единицах и принимает только целые и полуцелые значения. Частица со спином J имеет 2J + 1 спиновых состояний, различающихся значениями проекции J_z, которая может быть равна -J, (-J + 1), ,0, .., (J — 1), J. у электрона, протона, нейтрона и нейтрино J = 1/2, у фотона J = 1. Известны частицы со спинами от 0 (многие мезоны) до 6 (мезонный резонанс, открытый на Серпуховском ускорителе в 1983г.).Спин элементарной частицы — одна из важнейший ее характеристик. Значение спина однозначно

определяет тип статистики, которой подчиняются данные частицы. Все частицы с целыми спинами являются бозонами (статистика Бозе — Эйнштейна), все частицы с полуцелыми спинами — фермионами (статистика Ферми—Дирака), для которых справедлив принцип Паули. Например, электроны — это фермионы, а фотоны — бозоны.

Электрический заряд элементарной частицы q — физическая величина, характеризующая способность частицы участвовать в электромагнитном взаимодействии, выраженная в единицах элементарного заряда е = 1,6^.10^-19 Кл.

Для всех частиц, существующих в свободном состоянии, он принимает целочисленные значения — обычно 0 и ±1, для некоторых резонансов ±2. Это правило квантования электрического заряда выполняется с огромной точностью.

Вектор собственного магнитного момента — физическая величина, характеризующая взаимодействие покоящейся частицы с внешним магнитным полем. Векторы и параллельны:

Если они направлены в одну сторону, то  > 0, если в противоположные стороны, то  < 0. Ясно также, что магнитные моменты могут быть только у

частиц с ненулевыми значениями спина. Для проекции р_mz вектора на направление оси Z можно записать:

p_mz =  J_z

Так как J_z квантуется, то квантуется и р_mz. Значение р_mz, отвечающее максимальному значению J_z = J, называется просто собственным магнитным моментом частицы и обозначается символом . Таким образом,  =  J. Из сказанного ясно, что магнитный момент  может быть положительным (векторы и направлены в одну сторону), отрицательным ( и направлены в противоположные стороны) или равным нулю (в частности, при J = 0). Магнитные моменты элементарных частиц обычно выражают в единицах соответствующих магнетонов:

₀ = eh /(2т).

Если т = т_e то, ₀ —магнетон Бора _Б ; если т = т_р то получаем ядерный магнетон _я: .

У фотона и нейтрино  = 0.