Свойства элементарных частиц

  Все Э. ч. являются объектами исключительно малых масс и размеров. У

большинства из них массы имеют  порядок величины массы протона, равной

1,6×10^-24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9×10

^-28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по

порядку величины равны 10^-13 см. Размеры электрона и мюона

определить  не удалось, известно лишь, что они меньше 10^-15 см.

Микроскопические  массы и размеры  Э. ч. лежат в основе квантовой специфики  их

поведения. Характерные длины  волн, которые следует  приписать Э. ч. в  квантовой

теории ( , где

     - постоянная Планка, m - масса частицы, с - скорость света) по порядку

величин близки к типичным размерам, на которых  осуществляется их взаимодействие

(например, для p-мезона

     1,4×10^-13 см). Это и приводит к тому, что квантовые

закономерности  являются определяющими  для Э. ч.

     Наиболее важное  квантовое свойство  всех Э. ч. - их  способность рождаться  и

уничтожаться (испускаться  и поглощаться) при  взаимодействии с  др. частицами. В

этом  отношении они  полностью аналогичны фотонам. Э. ч. - это  специфические

кванты  материи, более точно - кванты соответствующих  физических полей (см.

ниже). Все процессы с  Э. ч. протекают через  последовательность актов их

поглощения  и испускания. Только на этой основе можно  понять, например, процесс

рождения p⁺-мезона при столкновении двух протонов (р + р ® р + n+ p

⁺) или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших

частиц  возникают, например, два g-кванта (е⁺ +е^- ® g +

g). Но и процессы  упругого рассеяния  частиц, например  е^- +p ® е

^- + р, также связаны с поглощением начальных частиц и рождением конечных

частиц. Распад нестабильных Э. ч. на более лёгкие частицы, сопровождаемый

выделением  энергии, отвечает той  же закономерности и  является процессом, в

котором продукты распада  рождаются в момент самого распада и  до этого момента

не  существуют. В этом отношении распад Э. ч. подобен распаду  возбуждённого

атома на атом в основном состоянии и фотон. Примерами распадов Э. ч. могут

служить:

     ; p⁺ ® m⁺ + v_m; К⁺ ® p⁺

+ p⁰ (знаком "тильда" над символом частицы здесь и в дальнейшем

помечены  соответствующие  античастицы).

     Различные процессы  с Э. ч. заметно  отличаются по  интенсивности протекания. В

соответствии  с этим взаимодействия Э. ч. можно феноменологически  разделить на

несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все Э. ч.

обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.

     Сильные взаимодействия  выделяются как  взаимодействия, которые  порождают

процессы, протекающие с  наибольшей интенсивностью среди всех остальных

процессов. Они приводят и  к самой сильной  связи Э. ч. Именно сильные

взаимодействия  обусловливают связь  протонов и нейтронов  в ядрах атомов и

обеспечивают  исключительную прочность  этих образований, лежащую  в основе

стабильности  вещества в земных условиях.

     Электромагнитные  взаимодействия характеризуются  как взаимодействия, в основе

которых лежит связь с  электромагнитным полем. Процессы, обусловленные  ими,

менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая  ими связь

Э. ч. заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности,

ответственны  за связь атомных  электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

     Слабые взаимодействия, как показывает  само название, вызывают  очень медленно

протекающие процессы с Э. ч. Иллюстрацией их малой интенсивности  может служить

тот факт, что нейтрино, обладающие только слабыми  взаимодействиями,

беспрепятственно  пронизывают, например, толщу Земли и  Солнца. Слабые

взаимодействия  обусловливают также  медленные распады  т. н. квазистабильных  Э.

ч. Времена жизни  этих частиц лежат  в диапазоне 10^-8-10^-10

сек, тогда как типичные времена для сильных  взаимодействий Э. ч. составляют 10

^-23-10^-24 сек.

     Гравитационные взаимодействия, хорошо известные  по своим макроскопическим

проявлениям, в случае Э. ч. на характерных  расстояниях ~10^-13 см

дают  чрезвычайно малые  эффекты из-за малости  масс Э. ч.

     Силу различных  классов взаимодействий  можно приближённо  охарактеризовать

безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант соответствующих

взаимодействий. Для сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных

взаимодействий  протонов при средней  энергии процесса ~1 Гэв эти параметры

соотносятся как 1:10^-2: l0^-10:10^-38.

Необходимость указания средней  энергии процесса связана с тем, что для слабых

взаимодействий  безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами

интенсивности различных процессов  по-разному зависят  от энергии. Это приводит к

тому, что относительная  роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняется

с ростом энергии взаимодействующих  частиц, так что  разделение взаимодействий на

классы, основанное на сравнении  интенсивностей процессов, надёжно

осуществляется  при не слишком  высоких энергиях. Разные классы взаимодействий

имеют, однако, и другую специфику, связанную  с различными свойствами их

симметрии (см. Симметрия в физике), которая способствует их разделению и при

более высоких энергиях. Сохранится ли такое  деление взаимодействий на классы в

пределе самых больших  энергий, пока остаётся неясным.

     В зависимости  от участия в  тех или иных  видах взаимодействий  все изученные  Э.

ч., за исключением фотона, разбиваются на две  основные группы: адроны (от

греческого hadros - большой, сильный) и  лептоны (от греческого leptos - мелкий,

тонкий, лёгкий). Адроны характеризуются  прежде всего тем, что они обладают

сильными  взаимодействиями, наряду с электромагнитными  и слабыми, тогда  как

лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. (Наличие

общих для той и другой группы гравитационных взаимодействий подразумевается.)

Массы адронов по порядку  величины близки к  массе протона (т_р);

минимальную массу среди адронов  имеет p-мезон: т_p"м 1/7×т

_р. Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики (

     0,1 m_p), однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность

существования тяжёлых лептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми

исследованными  представителями  адронов были протон и нейтрон, лептонов -

электрон. Фотон, обладающий только электромагнитными  взаимодействиями, не может

быть  отнесён ни к адронам, ни к лептонам и  должен быть выделен  в отд. группу.

По  развиваемым в 70-х  гг. представлениям фотон (частица с  нулевой массой покоя)

входит  в одну группу с  очень массивными частицами - т. н. промежуточными

векторными  бозонами, ответственными за слабые взаимодействия и пока на опыте  не

наблюдавшимися (см. раздел Элементарные частицы и квантовая  теория поля).

                Характеристики элементарных частиц.               

     Каждая Э. ч., наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается

набором дискретных значений определённых физических величин, или своими

характеристиками. В ряде случаев  эти дискретные значения выражаются через  целые

или дробные числа  и некоторый общий  множитель - единицу  измерения; об этих

числах  говорят как о  квантовых числах Э. ч. и задают только их, опуская единицы

измерения.

     Общими характеристиками  всех Э. ч. являются  масса (m), время  жизни (t), спин

(J) и электрический  заряд (Q). Пока  нет достаточного  понимания того, по  какому

закону  распределены массы  Э. ч. и существует ли для них какая-то единица

измерения.

     В зависимости  от времени жизни  Э. ч. делятся  на стабильные, квазистабильные  и

нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных

измерений, являются электрон (t > 5×10²¹ лет), протон (t

> 2×10³⁰ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят

частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их

времена жизни > 10^-20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000

сек). Резонансами называются Э. ч., распадающиеся  за счёт сильных

взаимодействий. Их характерные времена  жизни 10^-23-10^-24

сек. В некоторых случаях  распад тяжёлых резонансов (с  массой ³ 3 Гэв) за

счёт  сильных взаимодействий оказывается подавленным  и время жизни  увеличивается

до  значений - ~10^-20 сек.

     Спин Э. ч. является  целым или полуцелым  кратным от величины

     . В этих единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и

электрона J= 1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы и с  более высоким  спином.

Величина  спина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных)

частиц, или их статистику (В. Паули, 1940). Частицы  полуцелого спина

подчиняются Ферми - Дирака статистике (отсюда название фермионы), которая

требует антисимметрии волновой функции системы  относительно перестановки пары

частиц (или  нечётного числа  пар) и, следовательно, "запрещает" двум частицам

полуцелого  спина находиться в одинаковом состоянии (Паули  принцип). Частицы

целого  спина подчиняются  Бозе - Эйнштейна  статистике (отсюда название бозоны),

которая требует симметрии  волновой функции  относительно перестановок частиц и

допускает нахождение любого числа  частиц в одном  и том же состоянии.

Статистические  свойства Э. ч. оказываются  существенными в  тех случаях, когда

при рождении или распаде  образуется несколько  одинаковых частиц. Статистика

Ферми - Дирака играет также  исключительно важную роль в структуре  ядер и

определяет  закономерности заполнения электронами атомных  оболочек, лежащие  в

основе  периодической системы  элементов Д. И. Менделеева.

     Электрические заряды  изученных Э. ч.  являются целыми  кратными от величины  е

"1,6×10^-19 к, называются элементарным электрическим зарядом. У

известных Э. ч. Q = 0, ±1, ±2.

     Помимо указанных  величин Э. ч.  дополнительно характеризуются  ещё рядом

квантовых чисел, называются внутренними. Лептоны несут  специфический лептонный

заряд L двух типов: электронный (L_e) и мюонный (L_m); L

_e = +1 для электрона и электронного нейтрино, L_m= +1 для

отрицательного  мюона и мюонного нейтрино. Тяжёлый  лептон t; и связанное  с ним

нейтрино, по-видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда L

_t.

     Для адронов L = 0, и это ещё одно  проявление их  отличия от лептонов. В свою

очередь, значительные части  адронов следует  приписать особый барионный заряд  В

(|Е| = 1). Адроны с В = +1 образуют подгруппу  барионов (сюда входят  протон,

нейтрон, гипероны, барионные  резонансы), а адроны с В = 0 - подгруппу  мезонов

(p- и К-мезоны, бозонные  резонансы). Название  подгрупп адронов  происходит от

греческих слов barýs - тяжёлый  и mésos - средний, что  на

начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные  величины масс

известных тогда барионов и  мезонов. Более поздние  данные показали, что  массы

барионов  и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.

     Барионы и мезоны  подразделяются на  уже упоминавшиеся  совокупности: обычных

(нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны,

К-мезоны) и очарованных  частиц. Этому разделению отвечает наличие  у адронов

особых  квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с

допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных

частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| ¹ 0, Ch = 0, для

очарованных частиц |Ch| ¹ 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто

используется  квантовое число  гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более

фундаментальное значение.

     Уже первые исследования  с обычными адронами  выявили наличие  среди них

семейств  частиц, близких по массе, с очень  сходными свойствами по отношению к

сильным взаимодействиям, но с различными значениями электрического заряда.

Протон  и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства. Позднее

аналогичные семейства были обнаружены среди странных и (в 1976) среди

очарованных адронов. Общность свойств  частиц, входящих в  такие семейства,

является  отражением существования  у них одинакового  значения специального

квантового  числа - изотопического спина I, принимающего, как и обычный  спин,

целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно называются изотопическими

мультиплетами. Число частиц в  мультиплете (п)связано  с I соотношением: n = 2I +

1. Частицы одного  изотопического мультиплета  отличаются друг  от друга значением

              "проекции" изотопического  спина I₃, и              

     Важной характеристикой  адронов является  также внутренняя  чётность Р,

связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает  значения ±1.

     Для всех Э.  ч. с ненулевыми  значениями хотя  бы одного из  зарядов О, L, В, Y

(S) и очарования Ch существуют  античастицы с  теми же значениями  массы т,

времени жизни t, спина J и  для адронов изотопического спина 1, но с

противоположными  знаками всех зарядов  и для барионов с противоположным  знаком

внутренней  чётности Р. Частицы, не имеющие античастиц, называются абсолютно

(истинно)  нейтральными. Абсолютно  нейтральные адроны  обладают специальным

квантовым числом - зарядовой  чётностью (т. е. чётностью  по отношению к  операции

зарядового  сопряжения) С со значениями ±1; примерами  таких частиц могут  служить

фотон и p⁰.

     Квантовые числа  Э. ч. разделяются  на точные (т. е.  такие, которые  связаны с

физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах) и  неточные (для

которых соответствующие  физические величины в части процессов  не сохраняются).

Спин J связан со строгим  законом сохранения момента количества движения и

потому  является точным квантовым  числом. Другие точные квантовые числа: Q, L,

В; по современным данным, они сохраняются  при всех превращениях Э. ч.

Стабильность  протона есть непосредственное выражение сохранения В (нет,

например, распада р ®  е⁺ + g). Однако большинство квантовых чисел

адронов неточные. Изотопический  спин, сохраняясь в  сильных взаимодействиях, не

сохраняется в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Странность и

очарование  сохраняются в  сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не

сохраняются в слабых взаимодействиях. Слабые взаимодействия изменяют также

внутреннюю  и зарядовую чётности. С гораздо большей  степенью точности

сохраняется комбинированная  чётность СР, однако и она нарушается в некоторых

процессах, обусловленных слабыми  взаимодействиями. Причины, вызывающие

несохранение  многих квантовых  чисел адронов, неясны и, по-видимому, связаны  как

с природой этих квантовых  чисел, так и с  глубинной структурой электромагнитных

и слабых взаимодействий. Сохранение или несохранение тех или иных квантовых

чисел - одно из существенных проявлений различий классов взаимодействий Э. ч.