6. Элементарные частицы и их классификация. Понятие о кварках

Элементарной называется частица, которая на современном уровне развития науки не обнаруживает внутреннего строения, а ее размеры недоступны измерению. Фундаментальным свойством всех элементарных частиц является их способность к взаимному превращению. Элементарные частицы принято классифицировать по тому типу взаимодействия, в которое они вступают и по значению их собственного момента импульса (спина).

По типу характерных для частиц взаимодействий они делятся на четыре класса.

1 Фотоны – кванты электромагнитного поля, участвуют в электромагнитном взаимодействии, но не обладают сильным и слабым.

2 Лептоны – частицы, не обладающие сильным взаимодействием (электрон, позитрон, мюон, нейтрино, антинейтрино и др.). Все лептоны участвуют в слабом взаимодействии, заряженные лептоны участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

3 Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, участвуют также в слабом и электромагнитном взаимодействии (-мезон, К-мезон и др.)

4 Барионы – частицы, обладающие сильным взаимодействием (протон, нейтрон, все гипероны). Заряженные барионы участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами.

По значению собственного момента импульса (спина) элементарные частицы делятся на два класса:

1 Фермионы – частицы с полуцелым спином, описывающиеся антисимметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Ферми–Дирака (электрон, протон, нейтрон и др.).

2 Бозоны – частицы с нулевым или целочисленным спином, описывающиеся симметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Бозе–Эйнштейна (-мезон, фотон).

Все лептоны и барионы являются фермионами, а мезоны и фотон – бозонами. Для фермионов справедлив принцип Паули, согласно которому в системе тождественных фермионов не может быть двух частиц, обладающих одинаковым набором квантовых чисел. Ранее мы сформулировали этот принцип для электронов в атоме и объяснили с его помощью заполнение электронных оболочек атомов (Периодическая система элементов Д.И. Менделеева). Однако принцип Паули имеет более широкую область применения, ему подчиняется поведение любых коллективов тождественных фермионов (атомное ядро, электронный газ в металлах и т.д.). Для коллектива бозонов принципа запрета Паули нет.

Все переносчики взаимодействий являются бозонами, а кварки и лептоны – фермионами. В связи с этим бозоны принято ассоциировать с взаимодействием, а фермионы – с веществом. Суперсимметрия объединяет фермионы и бозоны в рамках одной теории и говорит о возможности превращения бозонов и фермионов друг в друга.

Использование термина “элементарные” становится неоправданным, когда мы говорим о почти 400 частицах и античастицах, открытых к настоящему времени. Развитие работ по классификации частиц все время сопровождалось поисками новых более фундаментальных частиц, из которых построены все адроны (барионы и мезоны). В 1964 г. независимо друг от друга Дж. Цвейг и Гелл-Манн высказали гипотезу о существовании т.н. кварков. Согласно теории Цвейга–Гелл-Манна все известные к тому времени адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков: u (от англ. “up”, т.е. “вверх”), d (down – вниз) и s (strange – странный или sideways – боковой) и соответствующих им антикварков. Кварки обладают дробным электрическим зарядом, полуцелым спином (т.е. являются фермионами) и рядом других характеристик. Мезоны состоят из пары кварк–антикварк, барионы из трех кварков (например, протон имеет кварковую структуру uud). Кварки существуют только внутри адронов и не наблюдаются как изолированные объекты.

Увеличение числа элементарных частиц привело к необходимости расширения системы кварков. Пришлось постулировать существование еще трех кварков: с (charmed – очарованный), b (bottom – нижний или beauty – прелестный) и t (truth – истинный).

Реальное существование кварков подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, характер рассеяния быстрых электронов протонами свидетельствует о наличии внутри протона трех точечных рассеивающих центров с дробным электрическим зарядом, что полностью соответствует трехкварковой модели протона.

Все попытки наблюдать кварки как изолированные объекты оказались безуспешными, они в принципе не могут существовать в свободном состоянии. Применительно к кваркам даже существует термин конфайнмент (от английского confinement, что означает “тюремное заключение”). Причиной конфайнмента является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом. При малых расстояниях эти силы малы, однако с увеличением расстояния силы взаимодействия между кварками очень быстро растут, не позволяя кваркам вылететь из адрона.

В наши дни принята Стандартная модель, по которой всё вещество состоит из 24 частиц-фермионов: 6 лептонов, 6 кварков и 12 античастиц. Частицами-переносчиками взаимодействий являются 8 глюонов, 3 тяжёлых бозона, один фотон. Теоретически предсказано существование бозона Хиггса, отвечающего за массу.