2.Способность рождаться и уничтожаться при с помощью сильного, электромагнитного, или слабого взаимодействий между ними.

3.Элементарные частицы разделяются на классы лептонов (легкие), адронов (сильные) и калибровочных бозонов.

Характеристики элементарных частиц: Масса m, время жизни τ, спин I, изотопический спин Т и его проекция Т₃, электрический заряд Q и другие наборы дискретных значений физических величин. По времени жизни они делятся на стабильные частицы (τ>10²²лет -электрон, τ>10²²лет-протон), квазистабильные частицы (τ>10 ^-20сек), которые распадаются за счет электромагнитного и слабого взаимодействий и резонансы (τ~10^-22 ÷10^-24сек), которые характеризуются шириной резонанса .

Нестрогие квантовые числа элементарных частиц сохраняются только при определенных взаимодействиях. К ним относятся: изотопический спин Т, гиперзаряд , пространственная четность Р, зарядовая четность С , G- четность и квантовое число А.

Лептоны

Лептоны (легкие) – бесструктурные частицы со спином ½ не участвуют в сильном взаимодействии. Известны три заряженных лептона: электрон, мюон (тяжелый электрон), тау-лептон (сверхтяжелый электрон) и три нейтральных: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-лептонное нейтрино. У каждого лептона имеется своя античастица. Характеристики лептонов приведены в табл.2.2. В электромагнитном взаимодействии рождаются пары заряженных лептонов (е+,е-),. ( ), ( ).Лептоны ведут себя как точечные бесструктурные частицы до расстояний 10^-16÷10^-15 см. отрицательные мюоны образуют -атомы (pμ^-, dμ^-, tμ^-). Существуют системы (е⁺,е^-)-позитроний и мюоний- (μ⁺е^-). Все лептоны являются фермионами. В слабом взаимодействии каждый заряженный лептон рождается в сопровождении своего антинейтрино: ( ), , .

Нейтрино участвуют только в слабом взаимодействии и гравитационном. Частицы нейтрино столь же распространены в природе как и фотоны. Экспериментально наблюдались нейтрино со спиральностью только «левовинтовые», а антинейтрино со спиральностью «правовинтовые». Предполагается, что масса нейтрино близка к нулю. Значения энергий нейтрино лежат в интервале от реликтовых

10^-4 эв до космических 10¹¹Гэв. Мощными источниками (10¹³ частиц/см²сек) антинейтрино низких энергий(до 10 Мэв) являются ядерные реакторы. Нейтрино высоких энергий (до сотен Гэв) получают с помощью ускорителей заряженных частиц. Прямым доказательством существования нейтрино считаетс процесс обратного бета-распада , с сечением барн.

Отличительное свойство нейтрино-крайне высокая проникающая способность. Антинейтрино от ядерного реактора проходят сквозь Землю, практически не испытывая соударений.

Вторым свойством является быстрый рост сечений взаимодействия с ростом энергии нейтрино.

Процессы идущие с участием лептонов подчиняются законам сохранения лептонных чисел.

Лептонное число (лептонный заряд) – аддитивное внутреннее квантовое число, сопоставляемое с каждым семейством лептонов. Обычно лептонам приписывается свое лептонное число . Например, электронное лептонное число L_е (е^-, ν_е) = +1, антилептонам L_е( ) = –1, L_e = 0 для остальных частиц. Вследствие возможного наличия массы у нейтрино эВ и нейтринных осцилляций (самопроизвольных переходов нейтрино разных сортов друг в друга) нарушается закон сохранения отдельных лептонных зарядов. Однако полный лептонный заряд сохраняется во всех взаимодействиях с участием нейтрино.

Закон сохранения лептонного заряда: лептонный заряд системы частиц, равен алгебраической сумме лептонных зарядов, входящих в систему частиц, и есть величина постоянная для данной системы.

Характеристики лептонов приведены на таблице 2.2

Табл.2.2

Название	Сим-вол	Масс Мэв	Время жизни сек	Спин h	Магн. мом	Элек. заряд е	Лепт. Le	чис- Lµ	ла Lτ
Электрон	е -	0,51	стаб	1/2	eh/2m	-1	+1	0	0
Мюон	µ -	105,7	2,210-6	1/2	-me/m	-1	0	+1	0
Тау-лептон	τ -	1784	3 10 -13	1/2		-1	0	0	+1
Электрон нейтрино	νe	<35 эВ	Стаб	1/2	0	0	+1	0	0
Мюонное Нейтрино	νµ	<0,27	Стаб	1/2	0	0	0	+1	0
Тау-лепт нейтрино	ντ	<0,31	стаб	1/2	0	0	0	0	+1

Распады лептонов: , , .

Спиральность- квантовое число λ равное проекции спина элементарной частицы на направление его импульса..

Адроны - структурные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К адронам относятся мезоны (средние) и барионы (тяжелые). Мезоны имеют целый спин, барионы – полуцелый спин. Адроны обладают, сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия, квантовыми числами: барионным числом В странностью S, очарованием C и др., из которых образуется электрический заряд Q. Все мезоны имеют нулевое барионное число В = 0. Мезоны образуют наиболее многочисленные семейства, отличающие по массе и свойствам. Среди них пи-мезоны, К-мезоны и другие семейства.

Мезоны

π-мезоны (пионы) – легчайшие частицы из класса мезонов. Заряженные -и - мезоны были открыты в 1947 фотоэмульсионным методом в составе космических лучей, нейтральные -мезоны системой счетчиков с использованием ускорителей заряженных частиц. Масса заряженных пи-мезонов равна 139,56 Мэв, т.е. 273 m_e. Они распадаются по каналу слабого взаимодействия за время . Масса нейтрального пи-мезона 264 m_e. Он распадается по каналу электромагнитного взаимодействия , имея время жизни 0, 8 10^-16 сек. Спин пионов равен 0.

Согласно мезонной теории ядерных сил пи-мезоны являются квантами ядерного взаимодействия. Они вносят основной вклад в передачу сильного взаимодействия между нуклонами и лругими адронами на расстояниях порядка комптоновской длины волны пи- мезона ( см). Пи-мезоны обладают изотопическим спином Т=1, который сохраняется в сильных взаимодействиях. Пи-мезоны образуют изотопический триплет с проекциями изоспина , , , которые сохраняются в сильном и электромагнитном взаимодействиях.Для мезонов справедлива формула для электрического заряда

где T _z - третья проекция изоспина, Y – гиперзаряд.

π-мезоны в большом количестве рождаются в нуклон-нуклонных взаимодействиях при энергии налетающих нуклонов Мэв. Большие интенсивности пучков π-мезонов получают на сильноточных протонных ускорителях («мезонных фабриках»).

К^- - мезоны (каоны)-группа нестабильных частиц в которую входят два заряженных К⁺ и К^- и два нейтральных , каона с нулевыми спинами и массами Мэв Мэв. К-мезоны участвуют в сильно взаимодействии, и обладают квантовым числом странностью(S).

Барионы

К барионам относятся нуклоны p –протон, n - нейтрон и гипероны (странные барионы) и другие семейства барионов. Барионы обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами: барионным числом В странностью S, очарованием C и др. Все барионы обладают барионным квантовым числом равным единице В =1.

Барионное число B (барионный заряд) – аддитивное внутреннее квантовое число, сопоставляемое с барионами.

Закон сохранения барионного числа: Барионный заряд системы частиц равен алгебраической сумме барионных зарядов, входящих в систему частиц, и есть величина постоянная для данной системы.

Гипероны

Гипероны –тяжелые нестабильные элементарные частицы с массой больше массы нуклона, обладающие барионным зарядом В = 1 и большим временем жизни по сравнению с ядерным временем (~10 ^-23 сек). Известны гипероны: ламбда , три сигма два кси ( ) и омега . Все гипероны имеют спин ½, спин Ω^- -гиперона 3/2, и являются фермионами. Время жизни гиперонов порядка 10^-10 сек, затем они распадаются на легкие частицы пи-мезоны. электроны. нейтрино, γ-кванты. При столкновении π-мезонов и нуклонов с нуклонами гипероны всегда рождаются совместно с К-мезонами и также обладают квантовым числом странностью S. Основные характеристики гиперонов. относящихся к странным барионам, приведены в таблице 2.3.

Табл.2.3

Название гиперона	Символ	Масса Мэв	Время жизни 10 -10 сек	Странность S	Основные распады
Ламбда-ноль		1115,60	2,63	-1
Сигма-плюс		1189,37	0,8	-1
Сигма-ноль		1192,47	6 10-20 cек	-1
Сигма-минус		1197,35	1,48	-1
Кси-ноль		1314,9	2,9	-2
Кси-минус		1321,32	1,65	-2
Омега-минус		1672,2	1,1	-3

Примечание: Распады гиперонов с испусканием лептонов не приводятся из-за их малой вероятности.

Античастицей (по отношению к данной частице) называют частицу, обладающую той же массой, спином, временем жизни, что и данная частица, но имеющую зарядовые квантовые числа и магнитные моменты противоположного знака.

Частица и античастица обычно рождаются парами. При встрече они аннигилируют (взаимно исчезают) образуя частицы, рождение которых зависит от энергии исходных частиц и не запрещено законами сохранения. Античастица обозначается той же буквой, но со знаком тильда ~ над ней. Например, античастицей электрона е ^- является позитрон е⁺.

Антипротон был обнаружен в 1956 г. Его заряд = - заряду протона, магнитный момент барионный заряд В= -1, Проекция изоспина . Порог рождения анитипротона в нуклон-нуклонных соударениях равен Гэв. Нейтрон имеет античастицу – антинейтрон , у которого электрический заряд = 0, но барионное число В = -1, схема распада . При встрече антинуклона с нуклоном происходит реакция аннигиляции -мезонов (95%) и К-мезонов (5%). При аннигиляции электрона и позитрона обычно возникают гамма- кванты

Истинно нейтральными частицами являются частицы не обладающие никакими зарядовыми квантовыми числами (электрический заряд Q , лептонный заряд L, барионный заряд B, cтранность S и др.). Это фотон , пи-ноль-мезон и др.

Кварковая модель адронов

Кварки и их характеристики. Кварковая структура мезонов и барионов

Если внимательно посмотреть на рис2.1., то можно увидеть, что декуплеты и октеты могут быть составлены из 3 частиц образующих треугольник (триплет). Гипотеза о том, что адроны построены из субчастиц, которые назвали кварками, впервые была выдвинута Гелл-Манном и независимо Цвейгом в 1964 г. Первоначально кварковая модель содержала три кварка и объясняла существование адронных супермультиплетов. Идея кварков подсказана унитарной симметрией. Самое простое представление группы SU(3) триплет. Название «кварк» якобы взято Гелл-Маном из фразы «Три кварка для мистера Кларка!» романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану».

Кварки – бесструктурные частицы со спином ½ являющие составными элементами всех адронов. Обычные барионы состоят из трех кварков, а обычные мезоны из кварка и антикварка. Известны шесть сортов (ароматов) кварков: u, d, s, c, b, t . Общее обозначение , где i = 1,2,3, 4, 5, 6; α = 1, 2, 3. Каждый сорт кварков существует в трех состояниях определяемых цветом. Все кварки цветные.

Цвет α -квантовое число характеризующее кварки и глюоны. Кварки одноцветные, глюоны двухцветные. Цвет обеспечивает соблюдение принципа Паули для фермионов: в одном квантовом состоянии может находиться только один кварк.

Характеристики кварков:

Все кварки имеют барионное число дробное В = 1/3. Электрический заряд Q у них то же дробный: кварки u, c, t имеют положительный заряд Q = +2/3 e; кварки d, s, b, имеют отрицательный заряд Q = -1/3 e^-, где е^- = -1,6 10 ^-31 Кл – заряд электрона.

Сорт кварка характеризуется значением внутренних квантовых чисел входящих в состав электрического заряда Q: третья проекция изотопического спина T₃ , странность S , очарование C , красота b , истинность t .Эти зарядовые квантовые числа определяют «аромат» кварка.

Электрический заряд кварка определяется формулой Гелл-Манна – Нишиджимы

Q = T₃ +1/2 Y = T₃ + 1/2 ( B + S +C – b + t ) , (2.3)

Y = B + S + C – b + t . (2.4)

Y - гиперзаряд (гиперонный заряд) удвоенный средний электрический заряд данного изомультиплета. Цвет обеспечивает необходимую антисимметрию волновых функций адронов, построенных из одинаковых кварков. Кварки подчиняются квантовой статистике Ферми и принципу Паули. Каждый кварк имеет свою античастицу. Полные характеристики кварков приведены в табл.2.4.

Характеристики кварков

Табл.2.4

Название	Сим вол	Спин J(ħ)	3проекция Изо спина T3	Бар. Число B	Стран ность S	Очар вание C	Кра сота b	Исти ность t	Элек. заряд Q	Мас. Мэв
Верхний (up)	uα	1/2	+1/2	1/3	0	0	0	0	+2/3	2
Нижний (down)	dα	1/2	- 1/2	1/3	0	0	0	0	- 1/3	5
Странный (strange)	sα	1/2	0	1/3	--1	0	0	0	- 1/3	95
Очарован. (charm)	cα	1/2	0	1/3	0	1	0	0	+2/3	1,25 Гэв
Красивый (beauty)	bα	1/2	0	1/3	0	0	1	0	-1/3	4,2 Гэв
Истинный (truth)*	tα	1/2	0	1/3	0	0	0	+1	+2/3	171 Гэв

Легкие верхний u-кварк и нижний d-кварк входят в состав атомного ядра.

Очарованный c-кварк – нестабильный более тяжелый родственник верхнего кварка; является компонентом J/ψ –частицы.

Странный s-кварк – нестабильный более тяжелый родственник нижнего кварка; входит в состав К-мезона.

Красивый (прелестный) b-кварк - нестабильная сверхтяжелая копия нижнего кварка; входит в состав В-мезона.

^*)Истинный t-кварк – сверхтяжелый кварк, копия верхнего кварка; время жизни 10^-25 сек.

t-кварк открыт в 1995 г. на ускорителе со встречными пучками (протон –антипротонном коллайдере ,Тэватроне, Ферми лаборатория, США) с энергией в системе центра масс 1,8 Тэв=1,8 10¹² эв. Масса t-кварк m_t=174±5 Гэв.

Согласно кварковой гипотезе адроны являются составными частицами.

Мезон состоит из кварка и антикварка ( ),

Барион состоит из трех кварков (qqq).

Отметим, что ни мезоны, ни барионы не имеют цветового индекса, и являются «белыми» или «бесцветными» частицами.

Рис.2.1. Представлен октет барионов с спином I =1/2 и четность Р = +1 в координатах (гиперзаряд Y, и третья проекция изоспина Т₃) : нейтрон, протон, три сигма- гиперона, два кси-гиперона. Ламбда-ноль- гиперон (синглет) и сигма –ноль-гиперон в центре.Числа –массы частиц в Мэв. Буквы в скобках –кварковый состав частицы. Пример: нейтрон n состоит из трех кварков (udd) и имеет массу 939,6 Мэв.

Кварковая модель протона

Три валентных кварка (u, u, d) движутся свободно внутри протона. Они окружены «морем» кварк-антикварковых пар. Эти морские кварки рождаются глюонами. Глюоны испускают валентные кварки, обмениваясь между собой цветовыми зарядами. Таким образом, глюоны, удерживают кварки внутри протона, не допускают их вылетания. Валентные кварки несут~35%, морские кварки , глюоны~55% полного импульса протона. При этом каждый валентный кварк окружен облаком глюонов и морских кварк –антикварковых пар из-за эффекта поляризации вакуума. Масса облаченного кварка соответствует массе кварка в статическом пределе. Такой кварк называется «блоковый» или конституциентным. При увеличении расстояния между кварками их заряд увеличивается из-за антиэкранировки, и сила притяжения между ними возрастает, как струна, до бесконечности. При увеличении расстояния больше 1 Ферми = 10 ^–13 см струна рвется. Немедленно в точке разрыва возникает новая кварк-антикварковая пара, замыкающая разошедшиеся пары кварков.