3.5. Элементарные частицы

Открытие элементарных частиц началось с конца XIX в. Первая элементарная частица (электрон) была открыта Дж. Томсоном в 1897 г., протон – Э. Резерфордом в 1919, нейтрон – Дж. Чэдвиком в 1932 г. Тяжелые частицы (протон и нейтрон), составляющие ядро, называются нуклонами (лат. nucleus – ядро). Фотон как частица света (греч. рhōtόs – свет) был введен в теоретическую физику А. Эйнштейном в 1905 г.

В 1928 г. Поль Дирак предсказал существование частицы, противоположной по свойствам электрону. В 1936 г. такую частицу, заряженную положительно, экспериментально обнаружил К. Андерсон. Ее назвали позитрон (лат. positivus – положительный). Антипротон был открыт в 1955 г., антинейтрон – в 1956. Заряд у антинейтрона, как и у нейтрона, отсутствует, но его магнитный момент имеет противоположный знак. При встрече частицы с античастицей происходит их аннигиляция, взаимоуничтожение, в результате чего рождаются другие частицы. Например, электрон и позитрон превращаются в два фотона.

В 1935 г. Х. Юкава предсказал существование частиц с промежуточной массой (легче протона, тяжелее электрона). Их назвали мезонами (греч. mesos – средний) и обнаружили экспериментально в 1947 г. Эти частицы появляются, например, при аннигиляции нуклонов и антинуклонов, присутствуют в космических лучах, используются в ядерной физике.

Семья элементарных частиц постоянно пополняется и сейчас их насчитывается более 350 видов. Конечно, их все время стараются упорядочить: по массе, по времени жизни, по спину и др. По массе различаются барионы (тяжелые частицы, к ним относятся нуклоны), мезоны, лептоны (легкие частицы – электрон, нейтрино) и фотон, вообще не имеющий массы покоя. По времени жизни: стабильные частицы (электрон, протон, фотон, нейтрино), квазистабильные (нейтрон) и резонансы. Термин «спин» (англ. spin – вращение) характеризует собственный момент импульса частицы. Он может принимать значения, кратные постоянной Планка ħ или ħ/2. Частицы с полуцелым спином, фермионы (нуклоны и лептоны) подчиняются принципу Паули, согласно которому в одном состоянии может находиться только один фермион. Частицы с целым спином, бозоны (мезоны, фотоны) не ограничены этим правилом. Заряд у всех элементарных частиц кратен заряду электрона.

Почти у всех частиц, кроме фотона и двух мезонов, есть античастицы. По своим свойствам они аналогичны обычным частицам, отличаясь лишь противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента.

Еще одним общим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Продукты превращения и распада частиц не более просты, чем исходные объекты. Это другие элементарные частицы. Почти каждая частица может быть составной частью другой элементарной частицы.

Сравнительное изучение элементарных частиц показало, что они также, как и атомы, не совсем элементарны, а состоят из еще более мелких «кирпичиков» материи. В 1964 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу кварков. Термин этот был взят из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где его произносит человек, пораженный безумием. Теоретически почти все элементарные частицы можно рассматривать как комбинации кварков. Например, барионы состоят из трех кварков, лептоны - из кварка и антикварка. Типы кварков названы ароматами. Их шесть: up – верхний, down – нижний, strange – странный, charmed – очарованный, beauty –прелестный, truth – истинный. Каждый может находиться в трех состояниях, называемых цветами: желтом, красном, синем. Размеры кварков примерно в 10 раз меньше нуклона, спин – полуцелый, а заряды должны быть дробными. Однако в свободном виде они до сих пор экспериментально не обнаружены.