8.7. Элементарные частицы

В термин «элементарный» обычно вкладывают двойной смысл:

1) простейший, неделимый;

2) фундаментальный, лежащий в основе всего другого.

С этих точек зрения, атом Демокрита был элементарной частицей, однако в XIX–XX в. выяснилось, что он имеет сложную структуру. В ХХ в. открыто несколько сотен «элементарных» частиц, поэтому сегодня учёные не дают точного определения понятия «элементарная частица», подразумевая, что в этот класс следует включать все частицы со структурой более простой, чем у атома. Не углубляясь в описание взаимосвязей этих частиц, проследим их «родословную» в науке и некоторые свойства.

1897 г. – Дж. Дж. Томсон обнаружил электрон, что открыло счёт элементарных частиц.

1900 г. – Планк показал, что свет есть поток фотонов – частиц, не обладающих зарядом и массой покоя.

1911 г. – Резерфорд открыл протон – ядро атома водорода.

1928 г. – Поль Дирак (1902–1984, Англия) предсказал существование позитрона, впоследствии обнаруженного экспериментально.

1932 г. – Чедвик открыл нейтрон.

1931–35 гг. – Вольфганг Паули (1900–1958, Швейцария), объясняя закономерности -распада, предположил существование нейтрино («маленький нейтрон») – нейтральной частицы с массой покоя, равной нулю В 1956 г. нейтрино было обнаружено экспериментально.

1938 г. – Карл Андерсон (1905 г.р., США) и ??? Неддермейер (???–???, ???) обнаружили положительные и отрицательные мюоны (⁺ и ^–) с массой около 207 m_е (m_е – масса электрона).

1947 г. – Сесил Пауэл (1903–1969, Англия) при столкновении ядер обнаружил положительные и отрицательные -мезоны или пионы (⁺ и ^–).

• Пионы – ядерно-активные частицы (взаимодействуют с нуклонами), их существование было предсказано Хидэки Юкава (1907–1981, Япония) для объяснения природы ядерных сил, они распадаются по схеме: ⁺  ⁺ + , ^–  ^– + ..

В 1960-е годы было открыто более 200 элементарных частиц: К-мезоны и гипероны (с массами, превышающими массу нуклонов), резонансы (время жизни 10^–22–10^–23 с) и др., причём их список пополняется.

Опыты показали, что при столкновении частицы способны превращаться друг в друга. Значит, в природе должны существовать неделимые частицы, составляющие все остальные. Эксперименты по столкновению частиц со сверхвысокой энергией (скорость близка к с) показали, что даже если в результате столкновений одних частиц возникают другие, то они не новые, а ранее известные. Оказалось, что из одной пары любых частиц можно, путём увеличения их скорости и массы, получить все известные частицы. Это не значит, что элементарные (неделимые) частицы не имеют внутренней структуры, просто их не удаётся разделить на более простые.

Рождённые при столкновении «новые» частицы – не просто осколки «старых», т.к. при соответствующем ускорении они могут породить сразу несколько таких же частиц, как «старые» да ещё, вдобавок к ним, много других.

Учёными построена гипотетическая система классификации и взаимодействия частиц, хорошо подтвержденная экспериментально, созданы таблицы с характеристиками всех типов известных элементарных частиц.