Кварки, лептоны, калибровочные бозоны

    Фундаментальные частицы можно разбить на два типа - на частицы вещества - фундаментальные фермионы и калибровочные бозоны, переносящие взаимодействия между частицами вещества.
    Фундаментальными фермионами - частицами вещества являются кварки и лептоны. Кварки и лептоны являются фермионами и имеют собственный спин J = 1/2.
    Известно 6 типов (ароматов) кварков, объединённых в три семейства (поколения).

1 поколение	2 поколение	3 поколение

    Кварки верхнего ряда (u,c,t) имеют электрический заряд Q = +2/3e , нижнего ряда (d,s,b) имеют электрический заряд  Q = -1/3e , где е – абсолютная величина заряда электрона.
Кварк каждого типа имеет три цветовых состояния. В таблице 1  приведены массы кварков. Кварки связаны внутри адронов и в свободном состоянии не наблюдаются. Масса токового кварка - это масса, которой обладал бы кварк, если бы кварки не были связаны друг с другом посредством глюонов. Масса токового кварка складываясь с энергией взаимодействия кварка в адроне дает массу кварка в составе адрона. Поэтому массы кварков, приведенные в таблице 1 не измерены непосредственно, а получены в результате теоретического анализа экспериментальных данных.

Таблица 1.   Массы кварков.

Тип кварка.	Масса токового кварка. Мэв/с2	Масса  кварка в составе адрона. Мэв/с2
u	1 - 5	330
d	3 - 7	330
s	95±25	510
c	1250±100	1800
b	4100-4900	5000
t	174000±3000	180000

    Лептоны не имеют цветовых состояний, они не участвуют в сильных взаимодействиях.
Лептонов тоже 6 типов. Они также объединены в 3 семейства (поколения).

1 поколение	2 поколение	3 поколение

Электрон е, мюон μ и тау-лептон (τ) имеют одинаковые электрические заряды Q = - e. Каждый лептон верхней строки имеет своё нейтрино - электронное нейтрино _e, мюонное нейтрино ν_μ и тау-нейтрино ν_τ. В процессах взаимодействия с веществом нейтрино обычно появляется в паре с соответствующим лептоном верхней строки. Электрический заряд нейтрино равен 0. Каждое поколение имеет своё лептонное число. В большинстве процессов лептонные числа сохраняются.
  Сегодня измерены лишь верхние пределы масс нейтрино. Массы лептонов приведены в таблице 2. Так же как и в случае кварков массы лептонов теоретически не объяснены. В отличие от кварков лептоны наблюдаются в свободном состоянии как отдельные частицы, участвующие в различных реакциях.

Таблица 2.   Массы лептонов.

Тип лептона.	Масса лептона Мэв/с2
е	0.51
μ	105.6
τ	1777
e	< 5∙10-6
νμ	< 0.17
ντ	< 24

Кроме кварков и лептонов существуют частицы, которые передают взаимодействие между фундаментальными фермионами (кварками и лептонами). Это частицы с целым спином - калибровочные бозоны.
В таблице 3 приведены взаимодействия, частицы участвующие в различных взаимодействиях, калибровочные бозоны - переносчики взаимодействия, радиус действия, константа взаимодействия, характерное время жизни по отношению к распадам.

Таблица 3. Фундаментальные взаимодействия

Взаимо- действие	На какие частицы действует	Калибровоч- ные бозоны	Радиус действия	Константа взаимодействия	Характерное время жизни, с	Характерное сечение, мб
Сильное	Все цветные частицы	8 глюонов, спин J = 1, безмассовые.	1Фм = 1/mπ	1	10-23  Δ → Nπ	10 πp → πp
Электро- магнитное	Все электрически заряженные частицы	Фотон, спин J = 1, безмассовый.	∞	(1/137)1/2	10-20 -10-16  π0 → 2γ Σ0 → Λγ	10-3 γp → pπ0
Слабое	Кварки, лептоны, электрослабые калибровочные бозоны	W+,W−, Z, спин J = 1, m(W±) = 80Гэв, m(Z) =91Гэв.	10-2Фм = 1/mW	10-6	>10-12  Σ− → nπ− π− → μ−μ	10-14 νp → νp νp → μ−pπ+
Гравитаци- онное	Все массивные частицы	Гравитон, спин J = 2, безмассовый	∞	10-38	–	–

Сильное взаимодействие. Константа сильного взаимодействия, характеризующая интенсивность этого взаимодействия определяется взаимодействием кварков и переносчиков сильного взаимодействия - глюонов. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии называются адронами. Характерный радиус действия сил, обусловленных сильным взаимодействием ~10^-13 см. Частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия имеют характерное время жизни ~10^-20-10^-23 c, что соответствует характерным ширинам резонансов Г > 10 МэВ.
Электромагнитное взаимодействие. Константа электромагнитного взаимодействия 
(α)^1/2 = (e²/c)^1/2 = (1/137)^1/2 (α - постоянная тонкой структуры). Переносчик электромагнитного взаимодейстия - фотон. То обстоятельство, что масса фотона равна нулю определяет бесконечный радиус электромагнитного взаимодействия. Константа электромагнитного взаимодействия определяет вероятность испускания или поглощения фотона частицей с зарядом ±е. Характерное время распада частиц в результате электромагнитного взаимодействия > 10^-18 c. Например, время жизни π⁰-мезона, распадающегося в результате электромагнитного взаимодействия,  ~0.8∙10^-16 c.
Слабое взаимодействие. Константа слабого взаимодействия ~10^-6. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные бозоны W^±- и Z-бозоны - массивные частицы (m(W^±) = 80 Гэв, m(Z) = 91 Гэв.). Большая масса прмежуточных бозонов обуславливает характерную величину радиуса слабого взаимодействия ~10^-16 cм. Частицы, распадающиеся в результате слабого взаимодействия имеют времена жизни >10^-12 c. Например заряженные π-мезоны, распадающегося в результате слабого взаимодействия,  имеют время жизни 2.6∙10^-8 c. Нейтрон - 898 с. Некоторые ядра, распадающиеся в результате слабого взаимодействия,  имеют время жизни многие годы. Единственные частицы, которые участвуют только в слабых и гравитационных) взаимодействиях - нейтрино.
Гравитационное взаимодействие. Сила гравитационного взаимодейстия определяется соотношением

F = Gm₁m₂/r²,

где G = 6/67∙10^-11 м³кг^-1с^-2 - гравитационная постоянная. Радиус действия гравитационного взаимодействия бесконечен. В гравитационном взаимодействии участвуют все частицы. Сравнение гравитационного и электромагнитного взаимодействия двух протонов, находящихся на расстоянии друг от друга ~10^-13 см приводит к соотношению

F_грав/F_{эл.магн} ~10^-36.

16.11.2015