Элементарные частицы. Типы частиц, фундаментальные взаимодействия
Все элементарные частицы в зависимости от спина делятся на фермионы,
если спин полуцелый (в единицах (h/2p)), и бозоны, если спин целый.
Кроме того, в зависимости от типов взаимодействий, которым подвержены частицы,
различают два семейства: адроны - частицы как с целым, так и полуцелым
спином, участвующие во всех фундаментальных
взаимодействиях, и лептоны - частицы с полуцелым спином, которые
участвуют во всех взаимодействиях, за исключением сильного.
В настоящее время известны четыре фундаментальных типа взаимодействий:
гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное.
Слабое взаимодействие отвечает, например, за бета-распады ядер,
электромагнитное - связывает электрон и протон в атоме водорода, а сильное
взаимодействие - нуклоны в атомных ядрах.
С современной точки зрения внутриядерное взаимодействие не является истинно
фундаментальным, а устроено наподобие т.н. "химических" сил, которые являются
следствием сложной игры кулоновского (электромагнитного) взаимодействия и
принципа запрета Паули.
Адроны с целым спином называют мезонами, с полуцелым - барионами
Известно несколько сотен адронов.
Большинство их крайне нестабильны - это т.н. резонансы: они
распадаются на более легкие частицы посредством сильного взаимодействия.
Типичное время жизни резонансов ~ 10-21 с.
Квазистабильные адроны живут гораздо дольше и распадаются посредством слабого
и электромагнитного взаимодействий. Конечными продуктами распадов
квазистабильных мезонов являются более легкие мезоны, лептоны и фотоны, а
также, если распадающиеся мезоны достаточно массивны, то пары "барион +
антибарион".
Самые легкие барионы (протон и нейтрон) называются нуклонами. Более тяжелые
квазистабильные барионы (L , S, X, W,... ) называют
гиперонами. Конечными продуктами распадов гиперонов являются лептоны,
мезоны, фотоны и обязательно нуклон.
Из протонов и нейтронов состоят атомные ядра, остальные адроны не входят в
состав окружающего нас стабильного вещества, они рождаются при столкновениях
частиц, обладающих высокими энергиями. Согласно современным представлениям все
адроны не являются истинно элементарными частицами. Все они состоят из
кварков и глюонов.
В отличие от адронов лептоны истинно элементарные частицы (по крайней мере в
рамках т.н. стандартной модели).
Известны три заряженных лептона: электрон e-, мюон m и тау-лептон
t- и три нейтральных: электронное нейтрино ne, мюонное нейтрино
mn и тау-нейтрино nt. У каждой из этих частиц имеется
соответствующая античастица.
Мюон и t- лептон распадаются за счет слабого взаимодействия, а электрон
стабилен.
В слабых распадах каждый из заряженных лептонов рождается в сопровождении
соего антинейтрино. В электромагнитных взаимодействиях рождаются пары
заряженных лептонов: e+e-, m+m- , t+t-.
Эти закономерности удается объяснить, если предположить, что все лептоны
обладают своего рода лептонным "зарядом", равным +1 для лептонов и -1 для
антилептонов.
Во всех наблюдавшихя процессах лептонный заряд сохраняется.
Предсказаны процессы, в которых ожидается несохранение лептонного заряда:
распад протона, двойной бета-распад, нейтринные осцилляции.
(Нейтринные осцилляции предсказаны в середине 50-х Б. Понтекорво для
обяснения наблюдающегося дефицита солнечных (электронных) нейтрино.
(Будучи испущенным на Солнце, электронное нейтрино с заметной вероятностью
превращается по пути на
Землю в мюонное и не регистрируется детектором, настроенным на ne.
Летом 1998 г. процесс нейтринной осцилляции был обнаружен в лабораторных
условиях).
С середины 70-х годов общепринятым стал подход т.н. калибровочных теорий поля,
в которых все взаимодействия рассматриваются по аналогии с электродинамикой.
На основе теории Глэшоу - Вайнберга - Салама было предсказано, что слабое
взаимодействие осуществляется за счет обмена W - и Z- бозонами - квантами
поля слабого взаимодействия. Для того, чтобы это взаимодействие было слабым и
короткодействующим, нужно, чтобы масса этих промежуточных бозонов была
очень большой ~ 100 ГэВ. Эти частицы были обнаружены в 1983 г. на протон
- антипроном коллайдере В Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН).
Оказалось, что при энергиях ~ 100 ГэВ электромагнитное и слабое
взаимодействие перестают быть различными и объединяются в единое
электрослабое взаимодействие.
|