1. Фундаментальные частицы. Введение

    Мир элементарных частиц оказался многочисленным и разнообразным. Мы уже далеко по времени ушли от только трех, потом только пяти и т.д. элементарных частиц, из которых создана вся Вселенная. Фундаментальных частиц уже больше 30. Это лептоны, кварки, калибровочные бозоны и фотон.
     Основное деление элементарных частиц проходит по характеру их распада и взаимодействия между собой и с другими частицами. Лептоны участвуют только в слабых и электромагнитных взаимодействиях посредством обмена слабыми промежуточными бозонами W^±,  Z и фотоном , соответственно. Их обнаружено 6: 3 заряженных лептона, это электрон e^-, мюон μ^-, тау-лептон τ^-, и, соответственно, три нейтрино, ν, ν_μ, ν_τ. Существуют и открыты 6 их античастиц, это позитрон e⁺, мюон μ⁺, тау-лептон, τ⁺, и, соответственно, три антинейтрино _e, _μ, _τ.
    Все лептоны имеют полуцелый спин 1/2. Число лептонов в начальном и конечном состоянии во всех известных реакциях одинаково. Это позволило ввести сохраняющуюся величину-лептонный заряд. Отсутствие распадов μ e + γ и τ,e + γ позволяет говорить о сохранении по отдельности электронного мюонного и тау-лептонного зарядов. Открытия новейшего времени в нейтринной физике видимо, позволяют говорить о нарушении этого закона во взаимодейстиях нейтрино.
    Для слабого взаимодействия характерно явление нарушения закона сохранения пространственной четности, из-за чего левоспиральные (спин частицы ориентирован против ее импульса) и правоспиральные (спин частицы ориентирован по ее импульсу) лептоны по разному ведут себя в слабых взаимодействиях.
   Лептоны группируются по левоспиральным слабым изодублетам (несколько подробнее о слабом изоспине будет сказано в последующих лекциях)

поскольку именно в таких комбинациях они участвуют в слабых взаимодействиях, нарушающих четность, сохраняя лептонный заряд. Правоспиральные лептоны e_R,  μ^-_R , τ^-_R в слабых распадах, как правило, не участвуют и считаются синглетами по слабому изоспину. Правоспиральные нейтрино нам пока неизвестны.
    Адроны, состоящие, как мы полагаем, в основном из кварков, участвуют в сильных, электромагнитных и слабых взаимодействиях посредством обмена глюонами G (между цветными кварками), фотоном γ и слабыми промежуточными бозонами W^±, Z, соответственно. Число адронов очень велико, значительно больше 100. Их естественно разделить на два больших класса - барионы с полуцелым спином (от 1/2 до 13/2), подчиняющиеся статистике Ферми, и мезоны с целым спином (от 0 до 4), подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна. Число барионов в начальном и конечном состоянии во всех известных реакциях одинаково. Это позволило ввести сохраняющуюся величину - барионный заряд (барионное число). На сегодняшний день нарушения барионного числа не обнаружено. Полагают, что адроны состоят из кварков различных ароматов и цветов. Всего "найдено" 6 ароматов кварков -  u, d, s, c, b, t, причем  u, c, t с электрическим зарядом 2/3 и  d, s, b с электрическим зарядом -1/3. Мы их тоже группируем по дублетам:

Каждый аромат имеет 3 цвета. Наиболее строго сегодня сохряняется именно цвет - все известные адроны устроены так, что являются синглетными состояниями по цвету. Ни в одном эксперименте "цвет" в свободном состоянии не обнаружен. Предполагается, что цветной кварк, испуская или поглощая глюон G, переходит в кварк другого цвета, но того же аромата. Для трех цветов должно быть 3² - 1 = 8 глюонов.
     Итак, для описания мира мы имеем 6 лептонов,  которые обмениваются фотоном γ и 3 слабыми промежуточными бозонами W^±, Z, и 6 × 3 = 18 кварков, которые обмениваются фотоном γ, 3 слабыми промежуточными бозонами и 8 глюонами G^k, k = 1,...,8.    Можно ли еще более сократить число фундаментальных частиц?  Оказывается, можно. Путь к этому открывают калибровочные теории. Суть их сводится к тому, что первичными следует считать свободные фундаментальные фермионы (лептоны и кварки). Требование инвариантности уравнений свободного движения фермионов или, корректнее, соответствующих лагранжианов относительно локальных калибровочных преобразований в пространствах внутренних симметрий (слабого изоспина, цвета и т.д.) приводит к генерации всех промежуточных бозонов W^±, Z фотона γ и глюонов G.