4.2.Классификация элементарных частиц.@

Физики выяснили, что главные свойства частицы определяются ее способностью (или неспособностью) участвовать в различных видах взаимодействия, поэтому классификация частиц строится с учетом именно этого фактора. Элементарные частицы принято условно делить на четыре класса:лептоны, мезоны, барионы и частицы‑переносчики взаимодействия.

Первый класс - класс лептонов- состоит из частиц, участвующих в слабом взаимодействии и в электромагнитном, если они имеют электрический заряд. Лептоны имеют спин равный 1/2 и лептонный заряд, который, подобно электрическому заряду сохраняется при реакциях взаимопревращения частиц (т.е. суммарное число лептонов при этом не меняется). К лептонам относят шесть типов частиц, отличающихся массами, временем жизни, электрическим зарядом и разновидностями лептонного эаряда: электроны, мюоны, тау-лептоны, электронные нейтрино, мюонные нейтрино и тау-нейтрино. Среди лептонов наиболее известен электрон. Другой хорошо известный лептон - нейтрино. Нейтрино является наиболее распространенной частицей во Вселенной, она легко проникает через вещество. Достаточно широко распространены в природе мюоны, на долю которых приходится значительная часть космического излучения. Во многих отношениях мюон напоминает электрон: имеет тот же заряд и спин, участвует в тех же взаимодействиях, но имеет большую массу и нестабилен. Примерно за две миллионные доли секунды мюон распадается на электрон и два нейтрино. В конце 70-х годов был обнаружен третий заряженный лептон, получивший название тау‑нейтрино. Это очень тяжелая частица, ее масса около 3500 масс электрона, но во всем остальном она ведет себя подобно электрону и мюону. В 60-х годах было установлено, что существует еще два типа нейтрино: электронное нейтрино и мюонное нейтрино.

Второй класс - класс барионов- состоит из частиц, обязательно участвующих в сильном ядерном взаимодействии, некоторые из них могут также участвовать и в слабом, и в электромагнитном взаимодействии. Спин барионов равен 1\2, они имеют барионный заряд, который сохраняется при реакциях. К барионам относятся протон, нейтрон и еще около двухсот частиц, отличающихся массами, временем жизни, электрическим зарядом.

Третий класс – класс мезонов.По видам взаимодействий он сходен с классом барионов, но спин и барионный заряд данных частиц равен нулю. К классу мезонов относится до сотни частиц. Самые известные из них, это – пионы, каоны, эта-мезоны.

Мезоны и барионы часто называют общим названием – адроны. Существование и свойства большинства известных адронов были установлены в опытах на ускорителях элементарных частиц, где они ускоряются до больших скоростей и сталкиваются с неподвижными частицами, что приводит к различным реакциям их взаимопревращения. Открытие множества разнообразных адронов в 50-60-x годах крайне озадачило физиков. Такое множество адронов наводило на мысль, что адроны не элементарные частицы, а построены из более мелких частиц. Со временем адроны удалось классифицировать по массе, заряду и спину, появились конкретные идеи о том, как их систематизировать, решающий шаг здесь был сделан в 1963 г., когда была предложена теория кварков.

Четвертый класс частиц состоит из частиц – переносчиков взаимодействий. Эти частицы не являются непосредственно строительным материалом вещества, а обеспечивают четыре фундаментальных взаимодействия, т.е. образуют своего рода "клей", не позволяющий веществу распадаться на части. Четвертый класс состоит из: фотонов – переносчиков электромагнитного взаимодействия, глюонов – переносчиков сильного взаимодействия, бозонов - переносчиков слабого взаимодействия. Высказывается мнение, что возможно существование и переносчиков гравитационного взаимодействия – гравитонов, но поскольку гравитационное взаимодействие очень слабое и в квантовых процессах практически не проявляется, то обнаружить гравитоны экспериментально будет очень сложно.

Согласно современным теориям, все виды взаимодействия между частицами объясняют передачей энергии, импульса, момента импульса с помощью частиц‑переносчиков взаимодействия. Впервые данный подход был использован для объяснения электромагнитного взаимодействия, эта теория известна как квантовая теория электромагнитного поля или квантовая электродинамика (КЭД). Для описания взаимодействия с помощью частицы-переносчика в теории используется не только понятие реального фотона (кванта видимого нами света), но вводится понятие виртуального (скоротечного, призрачного, не наблюдаемого экспериментально) фотона, который "видят" только взаимодействующие частицы. В основе КЭД лежит описание электромагнитного поля с использованием понятия передачи взаимодействия за счет испускания и поглощения таких виртуальных фотонов заряженными частицами, а также использование явления взаимного уничтожения (аннигиляции) электронно-позитронной пары с возникновением фотонов и явления порождения фотонами такой пары. Эта теория удовлетворяет принципам квантовой теории и теории относительности. Правильность теории КЭД была проверена на двух эффектах, которые предсказала КЭД и которые не объясняла обычная квантовая механика. Первый касался энергетических уровней атома водорода, согласно КЭД, уровни должны быть слегка смещены относительно положения, которое они занимали бы в отсутствие виртуальных фотонов. Вторая решающая проверка КЭД касалась чрезвычайно малой поправки к собственному магнитному моменту электрона. Теоретические и экспериментальные результаты проверки КЭД совпадают с высочайшей точностью - более девяти знаков после запятой. Столь поразительное соответствие дает право считать КЭД наиболее совершенной из существующих физических теорий. После подобного триумфа, КЭД была принята как модель для квантового описания и других фундаментальных взаимодействий с помощью соответствующих частиц-переносчиков.

Согласно теории и результатам экспериментов каждой частице, кроме фотона, соответствует античастица, которая отличается только противоположным электрическим зарядом и магнитным моментом.Например, электрону соответствует антиэлектрон или позитрон, протону - антипротон. При взаимодействии частицы и античастицы (например, при столкновении частиц с большой кинетической энергией) происходит аннигиляция или исчезновение этих частиц и появление нескольких фотонов или каких-либо других частиц.При взаимодействии элементарных частиц могут возникать также временные виртуальные частицы – так называемые короткоживущие резонансы.