Элементарные частицы

формулировка квантовой электродинамики (П. Дирак, 1929), квантовой теории b-

распада (Э. Ферми, 1934), положившей начало современной теории слабых

взаимодействий, квантовой мезодинамики (Юкава, 1935). Непосредственной

предшественницей последней была т. н. b-теория ядерных сил (И. Е. Тамм, Д.

Д. Иваненко, 1934; см. Сильные взаимодействия). Этот период завершился

созданием последовательного вычислительного аппарата квантовой

электродинамики (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер; 1944-49), основанного

на использовании техники перенормировки (см. Квантовая теория поля). Эта

техника была обобщена впоследствии применительно к другим вариантам

квантовой теории поля.

Квантовая теория поля продолжает развиваться и совершенствоваться и

является основой для описания взаимодействий Э. ч. У этой теории имеется

ряд существенных успехов, и всё же она ещё очень далека от завершённости и

не может претендовать на роль всеобъемлющей теории Э. ч. Происхождение

многих свойств Э. ч. и природа присущих им взаимодействий в значительной

мере остаются неясными. Возможно, понадобится ещё не одна перестройка всех

представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязи свойств

микрочастиц и геометрических свойств пространства-времени, прежде чем

теория Э. ч. будет построена.

Основные свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий.

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

большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной

1,6Ч10-24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9Ч10-28 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 1,4Ч10-

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+ + vm; 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 (тр); минимальную массу среди адронов имеет p-мезон: тp"м

1/7Чтр. Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики ( 0,1 mp),

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 > 5Ч1021 лет), протон (t > 2Ч1030 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 і

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

"1,6Ч10-19 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 (Le) и мюонный (Lm); Le = +1 для

электрона и электронного нейтрино, Lm= +1 для отрицательного мюона и

мюонного нейтрино. Тяжёлый лептон t; и связанное с ним нейтрино, по-

видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда Lt.

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 barэs - тяжёлый и mйsos - 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| № 0, Ch = 0, для очарованных

частиц |Ch| № 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