Загальні відомості про елементарні частинки

Елементарними називають частинки, які у взаємодіях поводять себе як єдине ціле. Це не означає, що елементарна частинка не має внутрішньої будови. Річ у тім, що на сьогодні даний розділ науки не в змозі вивчити будову елементарної частинки. Індивідуальність елементарної частинки зумовлюється тим, що енергія взаємодії її з іншими матеріальними об'єктами значно менша від її власної релятивістської енергії.

Першою елементарною частинкою, яку відкрив Дж.Дж.Томсон у 1897 p., був електрон. У 1919 p. E.Резерфорд виявив частинку, яка входить до складу ядер атомів – протон. У 1932 р. Д.Чедвік відкрив другу складову частинку ядра – нейтрон. У 1905 р. А.Ейнштейн увів у науковий обіг поняття про складову частинку світла – фотон. У 1956 р. вже було відомо 30 елементарних частинок; тепер їх налі­чується понад 350.

Елементарні частинки виступають у двох видах – частинок і ан­тичастинок: одні з них відрізняються знаком електричного заряду, наприклад, електрон і позитрон; інші, електрично-нейтральні, відріз­няються протилежною орієнтацією механічних і магнітних моментів, наприклад, нейтрон і антинейтрон. Є й такі частинки, які тотожні своїм античастинкам, наприклад, фотони, p°-мезони, - і - мезони; такі частинки називають справжньонейтральними.

Характерною властивістю частинок і античастинок є їх здатність утворюватися й анігілюватися парами. Анігіляція пари частинок зводиться до перетворення їх в інші частинки або кванти поля з виділенням відповідної енергії. Наприклад, позитрон і електрон, стикаючись, перетворюються в два або більше фотонів за схемою:

;

при взаємодії g- фотона з важкими ядрами атомів може народжуватися пара таких самих частинок:

.

Зауважимо, що виняток становлять раніше згадані справжньонейтральні частинки, які не здатні до анігіляції.

В усіх перетвореннях елементарних частинок виконуються закони збереження маси й енергії, імпульсу, моменту імпульсу, електричного заряду тощо.

У найближчому навколишньому світі існує переважаюча концентрація звичних для нас стабільних частинок – електронів, протонів і нейтронів. У вакуумі можуть бути стабільними також античастинки – позитрони, антипротони і антинейтрони. Тому поділ на частинки і античастинки умовний. Сучасна наука допускає можливість існування в галактичних системах антиречовини, що складається з антиатомів; останні є утворенням з антипротонів, антинейтронів і позитронів.

Основними характеристиками всіх елементарних частинок є маса т, час життя t, спін s, електричний заряд q.

Усі елементарні частинки мають дуже малі маси і розміри. У більшості з них маса близька до маси протона, в інших – вона значно менша.

Розміри протона, нейтрона, p- мезона і подібних до них частинок близько м, електронів і мюонів – ще менші.

За часом життя t елементарні частинки поділяються на стабільні, квазістабільні і нестабільні (резонанси). До стабільних належать електрон ( ), протон ( ), фотон і нейтрино; квазістабільними називають частинки, які розпадаються в результаті електромагнітних і слабких взаємодій, їхній час життя ; частинки, які називають резонансами, розпадаються в результаті сильних взаємодій, їхній час життя .

Спіни елементарних частинок визначають цілим або півцілим кратним сталої Планка h. Спіни p- і К- мезонів дорівнюють нулю; спіни електрона, протона і нейтрона ,фотона .

Електричні заряди елементарних частинок – цілі, кратні елементарному заряду ; вони можуть дорівнювати де n – натуральне число.

Елементарним частинкам притаманні корпускулярно-хвильові властивості, їхня поведінка описується квантовою механікою; вони додатково наділяються рядом квантових величин, які регламентують процеси їх перетворень і взаємодій. Наприклад, запроектований на основі згаданих вище законів збереження процес перетворення протона:

, (3.2)

якби він був можливим, привів би до анігіляції атомів речовини. Баріонний заряд − квантове число, що характеризує збереження числа баріонів (спільна назва нуклонів та гіперонів). Якщо прийняти, що баріонний заряд усіх баріонів дорівнює , то для антибаріонів він становить , а для решти елементарних частинок дорівнює . Тобто закон збереження баріонного заряду можна сформулювати так: баріонний заряд будь-якої ізольованої системи є сталою величиною. Звідси слідує, наприклад, процес (3.2), протон не може перетворитися в позитрон і фотон, хоча таке перетворення не суперечить ні законові збереження електричного заряду, ні закону збереження імпульсу, ні іншим відомим законам збереження, але порушує закон збереження баріонного заряду; останній закон зумовлює стабільність найлегшого з баріонів – протона.

Аналогічно для регламентування процесів за участю електронів і споріднених частинок (лептонів і антилептонів) вводиться лептонний заряд. Лептонний заряд характерний длячастинок лептонної групи (позитивний та негативний мюони, електрон і позитрон, нейтрино та антинейтрино); для інших частинок лептонний заряд . За цих умов у всіх процесах необхідно керуватися законом збереження лептонного заряду: алгебраїчна сума лептонних зарядів частинок до перетворення дорівнює алгебраїчній сумі лептонних зарядів частинок, що виникли в результаті перетворення. За цим законом, наприклад, легко визначити, що в розпад (3.3) має бути введене антинейтрино:

. (3.3)

Серед різних елементарних частинок, які беруть участь у сильних взаємодіях – їх умовились називати адронами, можна виділити групи таких «подібних» частинок, що мають приблизно рівні маси і однакові квантові характеристики, але різняться електричними зарядами.

Одну з таких груп утворюють нуклони (протон з нейтроном), другу – піони ( ), третю – сігма-гіперони ( ) і ін. Поряд з цим зарядова незалежність у сильних взаємодіях дає підставу зробити висновок, що в кожній із згаданих зарядових груп ідеться про одну й ту саму частинку, але в різних її станах.

Зарядові групи частинок наділяють певними числами так званого ізотопічного спіну, а розрізняють між собою в групах проекціями ізотопічного спіну І на певний напрям z в уявному просторі спінів; зокрема, для протона , для нейтрона тощо. Ці відмінності між частинками пояснюються впливами додаткових взаємодій, наприклад, електромагнітної природи.

У таблиці 3.1 подано найбільш вивчені елементарні частинки і їх квантові числа

Таблиця 3.1

Назва частинки та античастинки	Символ	Маса спокою	Спін ћ	Електричний заряд	Лептонний заряд	Баріонний заряд	Час життя (середній) у секундах
фотон	γ						стабільний
Лептони
Нейтрино:
електронні							стабільний
мюонні							стабільний
електрони:
електрон				-1	+1		стабільний
позитрон				+1	-1		стабільний
мюони:
-мезон				+1	+1
-мезон				-1	-1
Мезони
піони:
-мезон				+1
-мезон				-1
-мезон
каони:
-мезон				+1
-мезон		-1
-мезон
анти- -мезон
Баріони
нуклони:
протон				+1		+1	стабільний
антипротон	-1		-1
нейтрон						+1
антинейтрон			-1	-активний
гіперони:
лямбда								+1	-1
сігма-плюс				+1	-1			+1	-1
сігма-мінус				-1	+1			+1	-1
сігма-нуль								+1	-1	<
ксі-нуль								+1	-1
ксі-мінус				-1	+1			+1	-1
омега-мінус				-1	+1			+1	-1