Согласно современной точке зрения, основными
структурными единицами материи являются кваркии лептоны,
взаимодействующие путем обмена квантами полей Янга-Милса − калибровочными
частицами (γ, Z°,
W±, g). С экспериментальной точки зрения
частицы сутьдетектируемые "сгустки энергии и импульса".
(,E)
− 4-импульс частицы.
На каждой ступени познания определенные частицы являются "фундаментальными"
в том смысле, что они участвуют в элементарных актах взаимодействия в
рассматриваемой теории. Взаимодействия между
экспериментально наблюдаемыми частицами классифицируются по их силе на четыре
типа: гравитационное,
слабое, электромагнитное и
сильное. Сила взаимодействия на расстоянии, равном радиусу взаимодействия,
характеризуется константой взаимодействия. Все взаимодействия происходят путем обмена "минимально"
связанными с полями материи векторными мезонами по аналогии с обменом в
электродинамике и, может быть, все они − проявления одного взаимодействия "Великого
объединения",что можно проверить только при энергиях больших 1017
ГэВ. Теоретическая классификация частиц основана на
предположении об инвариантности физических законов по отношению к
преобразованиям Лоренца и пространственно-временным трансляциям.
Для описания процессов взаимодействия существует
калибровочная группа SU(2)×U(l)×SU(3), в которой SU(2)×U(1) отвечает за
электрослабые, a SU(3)
− за сильные взаимодействия. Строго говоря, все частицы − безмассовые, выход находят в
"спонтанном
нарушении" симметрии, которое приводит к возникновению
массы. Группа SU(2)×U(l) взаимодействует со скалярным "хиггсовским
полем" и у частиц появляются массы (Z0 и W±).
Теория электрослабых взаимодействий, основанная на калибровочной группе SU(2)×U(1),объясняет всеизвестные явления и
предсказывает новые.Предсказание существования
"нейтральных" токов было
подтверждено экспериментально (Z0).
По группе SU{2)×U(1)×SU(3) тоже предсказано существование новых частиц (Ω-),
подтвержденное экспериментально. Нодо сих пор не объяснено:
соответствие между кварками и лептонами;
количество поколений фундаментальных частиц;
стинное происхождение масс частиц или механизм спонтанного нарушения симметрии;
почему эти симметрии калибровочные, а другие − нет (например, симметрия, соответствующая барионному заряду).
Частица − элементарная или составная − определяется как
состояние квантованного поля,изменяющееся под действием преобразований, входящих в группу Пуанкаре, по некоторому неприводимому представлению.
Это означает, что частица обладает определенными массой и спиноми наряду с ней существует античастица с
теми же массой и спином.
Частицы с целым спином − бозоны, частицы с
полуцелым спином − фермионы.
`Кроме пространственно-временной симметрии существуют также
внутренние симметрии.Инвариантность взаимодействий относительно преобразований, принадлежащих группам внутренних симметрии, приводит к появлению
новых квантовых чисел:
электрического заряда, барионного числа, изоспина и др. (s, с, b, t ...).
Le, Lμ, Lτ −
лептонные квантовые числа,
занимают особое место − они не соответствуют какому-либо калибровочному полю и не подвержены спонтанному нарушению симметрии.
Лептонные квантовые числа имеют только лептоны − частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях.
Другой класс частиц − адроны
− составные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, благодаря наличию у них структуры. Адроны подразделяются на барионы и мезоны.
Разделение всех известных адронов на мультиплеты отражает существование более глубокой внутренней симметрии
− иными словами, отсюда вытекает гипотеза о том, что адроны состоят из более
фундаментальных частиц − кварков,ответственных за существование более глубокой симметрии.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что адрон взаимодействует с лептонами не как единое целое, а как объект, состоящий из кварков.
Внутренняя симметрия проявляется в разбиении известных частиц на семейства
− мультиплеты. Частицы, принадлежащие к одному мультиплету, имеют одинаковые (или почти одинаковые) массы.
Рассматривались симметрии по изотопспину
I, странности S, барионному заряду В, электрическому заряду Q. Получены соотношения, связывающие разные заряды:
гиперзаряд Y = В + S:
электрический заряд Q = I3 + Y/2;
изоспин I, проекция изоспина I3;
изотопический дублет
изотопический триплет
Понятие "элементарная частица" сформировалось с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне.
Атомы
→ ядра → нуклоны →партоны
В современной физике термин "элементарные частицы" употребляется для наименования большой группы мельчайших
наблюдаемых частиц материи. Эта группа частиц весьма обширна: протоны р, нейтроны
n, π- и K-мезоны, гипероны, очарованные частицы (J/ψ ...) и множество резонансов (всего ~ 350 частиц). Эти частицы получили название "адроны".
Фундаментальные частицы
Выяснилось, что адроны не элементарны, а представляют собой составные системы, конституентами которых являются истинно элементарные или, как их стали называть, "фундаментальные''
частицы − партоны, открытые при изучении структуры протона. Изучение свойств партонов позволило отождествить их с
кваркамии глюонами, введенными в рассмотрение
Гелл-Манном и
Цвейгом при классификации наблюдаемых элементарных частиц. Кварки оказались фермионами со спином J = 1/2. Им были приписаны дробные электрические заряды и барионное число В = 1/3 поскольку барион, у которого В = 1, состоит из трех кварков. Кроме того, для объяснения свойств некоторых барионов возникла необходимость введения нового квантового числа
− цвета.
Каждый кварк имеет три цветовых состояния, обозначаемые индексами 1, 2. 3 или словами красный (R). зеленый (G) и синий (В). Цвет никак не проявляет себя у наблюдаемых адронов и работает только внутри них. К настоящему времени открыто 6 ароматов (типов) кварков.
В табл. 1 приведены свойства кварков для одного цветового состояния. Для каждого аромата кварка указаны его масса (приводятся массы конституентных кварков и в скобках массы токовых кварков), изотопический спин
I и 3-я проекция изотопического спина I3, заряд кварка Qq/e и квантовые числа s,
с, b, t. Наряду с этими квантовыми числами часто используется квантовое число
гиперзаряд Y = B + s + c + b + t. Существует связь между проекцией
изотопического спина I3, электрического заряда Q и гиперзаряда Y:
Q = I3 +
(1/2)I3.
Таблица 1. Свойства кварков
Аромат
Масса, МзВ/с2
I
I3
Qq/e
s
с
b
t
u up
330; (5)
1/2
1/2
2/3
0
0
0
0
d down
340; (7)
1/2
-1/2
-1/3
0
0
0
0
s strange
450; (150)
0
0
-1/3
-1
0
0
0
с charm
1500
0
0
2/3
0
1
0
0
b beauty
5000
0
0
-1/3
0
0
-1
0
t truth
174000
0
0
2/3
0
0
0
1
Поскольку каждый кварк имеет 3 цвета, в рассмотрении должны участвовать 18
кварков. Кварки не имеют структуры.
Вместе с тем, среди элементарных частиц оказался целый класс
частиц, получивших название "лептоны". Они также являются фундаментальными
частицами, т.е. не имеют структуры. Их шесть: три заряженных е, μ, τ и три нейтральных νe,
νμ, ντ. Лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях.
Лептоны и кварки с полуцелым спином J = (n + 1/2)ћ, n = 0, 1... относятся к
фундаментальным фермионам. Наблюдается удивительная симметрия между лептонами и
кварками: шесть лептонов и шесть кварков.
В табл. 2 приведены свойства фундаментальных фермионов: электрический заряд
Qi в единицах заряда электрона и масса частиц m. Лептоны и кварки объединяются в
три поколения (I, II и III). Для каждого поколения сумма
электрических зарядов ∑Qi = 0 с учетом 3 цветовых зарядов у каждого кварка.
Каждому фермиону соответствует антифермион.
Таблица 2:
Свойства фундаментальных фермионов
Частицы
Лептоны
Кварки
Электрический заряд, Q;
0
-1
-1/3
2/3
I поколение
m
νe
< 17 эВ/с2
е-
0.511 МэВ/с2
d
0.34 ГзВ/'с2
u
0.33 ГэВ/с2
II поколение
m
νμ
< 270 эВ/с2
μ-
105.7 МэВ/с2
s
0.45 ГэВ/с2
c
1.5 ГэВ/с2
III поколение
m
ντ
< 35 МэВ/с2
τ-
1784 МэВ/с2
b
4.9 ГэВ/с2
t
175 ГэВ/с2
Кроме характеристик частиц, указанных в таблице, важную роль для лептонов
играют лептонные числа: электронное Le, равное +1 для е- и νe, мюонное Lμ,
равное +1 для μ- и и νμ и таонное Lτ, равное +1 для τ и ντ, которые соответствуют
ароматам лептонов. участвующих в конкретных реакциях, и являются сохраняющимися
величинами. Для лептонов барионное число В = 0.
Окружающее нас вещество состоит из фермионов первого поколения ненулевой
массы. Влияние частиц второго и третьего поколений проявилось в ранней
Вселенной.
Среди фундаментальных частиц особую роль играют фундаментальные калибровочные
бозоны, имеющие целочисленное внутреннее квантовое число спин J = nћ, n = 0,
1... Калибровочные бозоны ответственны за четыре типа фундаментальных
взаимодействий: сильное (глюоны g), электромагнитное (фотон γ); слабое (бозоны W±, Z0), гравитационное (гравитон G). Они также являются бесструктурными,
фундаментальными частицами.
В табл. 3 приведены свойства фундаментальных бозонов, являющихся полевыми
квантами в калибровочных теориях.
Помимо свойств открытых калибровочных бозонов γ, W±, Z0, g1,..., g8 в таблице
показаны свойства неоткрытых пока бозонов: гравитона G и Хиггс-бозонов Н0,
Н±.
Перечисленные выше частицы рассматриваются в рамках
Стандартной Модели. Предполагается, что за пределами Стандартной Модели может
существовать еще одна группа фундаментальных частиц − суперсимметричные частицы (SUSY). Они должны
обеспечить симметрию между фермионами и бозонами. В табл. 4 приводятся
предполагаемые свойства этой симметрии.
Таблица 3. Свойства фундаментальных бозонов
Название
Заряд
Масса
Спин
Взаимодействия
Гравитон, G
0
0
2
Гравитационное
Фотон, γ
0
< 3·10-27 эВ
1
Электромагнитное
Заряженные векторные бозоны, W±
±1
80.419 ГэВ/с2
1
Слабое
Нейтральный векторный бозон, Z0
0
91.188 ГэВ/с2
1
Слабое
Глюоны, g1,... g8
0
0
0
Сильное
Хиггсы, Н0, Н±
0
> 100 ГэВ/с2
0
Таблица 4. Свойства суперсимметричных частиц
Частица
Спин J
Частица
суперсимметричная
Спин J
Кварк q
1/2
Скварк
0
Лептон l
1/2
Слептон
0
Фотон γ
1
Фотино
1/2
Глюон g
1
Глюино
1/2
W±-бозон
1
Вино
1/2
Z0-бозон
1
Зино
1/2
Хиггс-бозон Н±,0
0
Хиггсино
1/2
Появляется новое квантовое число:
R = W + L + 2J,
В − барионное число, L − лептонное число, J − спин. Для обычных частиц R =
+1, для суперсимметричных частиц R = − 1.
До сих пор суперсимметричные частицы в экспериментах не обнаружены.
Элементарные частицы − адроны
Рассмотрим теперь наиболее многочисленную группу элементарных
сильновзаимодействующих частиц − адронов, для объяснения структуры которых было
введено представление о кварках.
Адроны подразделяются на мезоны и барионы. Мезоны построены из кварка и
антикварка (q). Барионы состоят из трех кварков (q1q2q3).
В табл. 5 приводится перечень свойств основных адронов. Подробные таблицы см.
The Eur. Phys. J. C, Rev. of Particle Phys., v.15, №1-4, 2000.
Таблица 5. Свойства адронов, IG(JPC)
Название
Масса,
МэВ/с2
Время жизни, с
Моды распада
Кварковый
состав
м
е
з
о
н
ы
Пионы, π± 1-(0-+) π0
139.567
134.965
2.6·10-8
0.83·10-16
π± → μ± + ν
π0 → γ + γ
(u), (d)
(u - d)/√2
η-мезон η0
0+(0-+)
547.5
Г = 1.30 ± 0.07 кэВ
η → γ + γ; 3π0 → π+ + π- + π0
с1(u +
d)+
+c2(s)
Каоны,
K±
1/2(0-)
493.667
497.67
497.67
1.237·10-8
0.892·10-10
5.183·10-8
К± → μ± + ν
→ π+
+ π-
→ π0
+ π0 + π0
(u), (s)
(d)
(d)
1/2(0-) D±
D0
1869.3
1864.5
1969.3
10.69·10-13
4.28·10-13
5.00·10-13
D± → e±
+ X
D0 → e+
+ X-
→ ρ0
+ π±
(c),
(d)
(c)
(c),
(s)
1/2(0-) B±
5279.0
5279.5
16.4·10-13
15.3·10-13
B± →
D0
+ π±
→
D0
+ π0 +
(u), (b)
(d), (b)
б
а
р
и
о
н
ы
Нуклоны, р
1/2(1/2+) n
938.3
939.5
> 1033 лет
898 ± 16
n → р + е- + ν
uud
udd
0(1/2+) Λ
1115.6
2.63·10-10
Λ → р + π-
uds
1(1/2+)
Σ+ Σ0 Σ-
1189.4
1192
1197
0.8·10-10
7.4·10-20
1.48·10-10
Σ+ → р + π0 Σ0 → Λ + γ Σ- → р + π-
uus
uds
dds
1/2(1/2+)
Ξ0 Ξ-
1314.9
1321
2.9·10-10 1.64·10-10
Ξ0 → Λ + π0 Ξ- → Λ + π-
uss
dss
0(3/2+) Ω-
1672
0.8·10-10
Ω- → Λ + K-
sss
0(1/2+)
2284.9
0.2·l0-12
→ Λ + π+
udc
1(1/2+)
2455
Г = 166.4 ± 0.4 МэВ
→
+ π0
usc
1/2(1/2+)
2468
0.4·10-12
→ Ξ- + π+ + π+
dsc
0(1/2+)
5624
1.22·10-12
→
+
l- + νl
udb
Кварковая структура адронов позволяет выделить в этой многочисленной группе
частиц нестранные адроны, которые состоят из нестранных кварков (u, d); странные
адроны, в состав которых входит странный кварк s; чармированные адроны,
содержащие с-кварк; боттом-адроны с b- кварком.
В таблице представлены свойства только незначительной части адронов: мезонов
и барионов. Показаны их масса, время жизни, основные моды распада и кварковый
состав. Для мезонов барионное число В = 0 и лептонное число L = 0. Для барионов
барионное число В = 1, лептонное число L = 0. Мезоны относятся к бозонам (целый
спин), барионы − к фермионам (спин полуцелый).
Дальнейшее рассмотрение свойств адронов позволяет объединить их в
изотопические мультиплеты, состоящие из частиц с одинаковыми квантовыми числами
и близкими по значению массами, но с различными электрическими зарядами. Каждый
изотопический мультиплет характеризуется изотопическим спином I, который
определяет полное число частиц, входящих в мультиплет, равное 21+1. Изоспин
может принимать значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2, ..., т.е. возможно существование
изотопических синглетов, дублетов, триплетов и т.д. Протон и нейтрон составляют
изотопический дублет, π+-, π--, π0-мезоны рассматриваются как изотопический
триплет.
Более сложными объектами в микромире являются атомные ядра. Атомное ядро
состоит из Z протонов и N нейтронов. Сумма Z + N = А − число нуклонов в данном
изотопе. Часто в таблицах приводится усредненная по всем изотопам величина,
тогда она становится дробной. Известны ядра, для которых указанные величины
находятся в пределах: 1 ≤ А ≤ 289, 1 ≤ Z ≤ 118.
(
,E)
− 4-импульс частицы.
). Барионы состоят из трех кварков (q1q2q3).
), (
d)
)
d)
), (
