Частица — элементарная единица материи¶
Частица — в физике элементарная, неделимая (на данном уровне описания) единица материи или энергии, из которой состоят все вещества и поля. Термин охватывает широкий класс объектов: от составных частиц атомного ядра (протонов и нейтронов) до фундаментальных частиц стандартной модели, не имеющих внутренней структуры. Частицы обладают набором физических характеристик — массой, зарядом, спином, временем жизни, — которые полностью определяют их поведение и участие в фундаментальных взаимодействиях.
¶История понятия
Представление о неделимых частицах материи восходит к античной атомистике Демокрита и Левкиппа, но в научный оборот понятие вошло в конце XIX — начале XX века. В 1897 году Джозеф Томсон открыл электрон — первую по-настоящему элементарную частицу. В 1911 году Эрнезт Резерфорд показал, что атом состоит из ядра и электронов, а в 1919 году получил протон. Нейтрон как составная часть ядра открыт Джеймсом Чедвиком в 1932 году.
Параллельно с изучением строения атома физика столкнулась с необходимостью описывать излучение: в 1905 году Альберт Эйнштейн предложил квантовую теорию света, согласно которой электромагнитное излучение испускается и поглощается дискретными порциями — квантами (фотонами). Так возникло представление о волново-корпускулярном дуализме: частицы обладают волновыми свойствами, а волны — корпускулярными.
Во второй половине XX века число известных частиц резко возросло: в космических лучах и на ускорителях были обнаружены мезоны, гипероны, широкие семейства адронов. Для систематизации этого «частицового зоопарка» в 1964 году были предложены кварковые модели Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвейга.
¶Классификация частиц
Частицы принято делить на три большие группы.
¶Фундаментальные частицы
Не имеют внутренней структуры, не расщепляются на составные компоненты. К ним относятся:
- Лептоны — электрон, мюон, тау-нейтрино и три нейтрино (электронное, мюонное, тау), а также их античастицы. Участвуют в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях.
- Кварки — шесть «ароматов»: up, down, strange, charm, bottom, top. Всегда объединены в адроны, свободно существовать не могут (явление конфайнмента).
- Бозоны-переносчики взаимодействий — фотон (электромагнитное), W± и Z-бозоны (слабое), глюоны (сильное), гравитон (гравитационное, гипотетическая частица).
- Бозон Хиггса — отвечающий за механизм спонтанного нарушения электрослабой симметрии и наделяющий частицы массой; открыт на Большом адронном коллайдере в 2012 году.
¶Составные (композитные) частицы
Образованы фундаментальными частицами. К ним относятся адроны — барионы (протон, нейтрон и их производные) и мезоны. Протон состоит из двух кварков up и одного down, нейтрон — из одного up и двух down. Стабильность протона делает его основой всего вещества Вселенной.
¶Квазичастицы
Термин из физики конденсированного состояния: возбуждения в макроскопических системах, которые ведут себя как отдельные частицы. Примеры — фононы (кванты колебаний кристаллической решётки), экситоны, дырки в полупроводниках, магноны. Квазичастицы — не отдельные объекты материи, а удобное описание коллективного поведения многих реальных частиц.
¶Основные характеристики
| Характеристика | Описание |
|---|---|
| Масса | Определяет инертные и гравитационные свойства; у нейтрино очень мала, у топ-кварка — наибольшая среди фундаментальных |
| Электрический заряд | Кратен заряду электрона; нейтральные частицы (нейтроны, фотоны, нейтрино) имеют нулевой заряд |
| Спин | Внутренный момент импульса; целочисленный для бозонов, полуцелый для фермионов |
| Время жизни | От стабильных (фотон, электрон, протон) до крайне нестабильных, существующих доли секунды |
| Барионное и лептонное число | Величины, сохраняющиеся в большинстве известных процессов |
¶Частицы и взаимодействия
Поведение частиц описывается через четыре фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Каждому взаимодействию соответствует свой переносчик — бозон. Сильное взаимодействие удерживает кварки в адронах и нуклоны в ядрах, электромагнитное определяет строение атомов и химию, слабое отвечает за некоторые типы радиоактивного распада, гравитационное доминирует на космических масштабах.
¶Исследование частиц
Изучение частиц ведётся на ускорителях заряженных частиц, где столкновения с высокими энергиями порождают новые, тяжёлые частицы. Крупнейшие установки — Большой адронный коллайдер (ЦЕРН, Швейцария) и строящийся Международный ускорительный комплекс (ЦЕРН). В России исследования ведутся на Университетском центре в Дубне (Россия) и в институтах РАН. Дополняют ускорительные эксперименты нейтринные обсерватории (Баксанский нейтринный телескоп, «Байкал»), космические детекторы и наблюдения за космическим фоном.
¶Частицы в квантовой теории поля
Современное описание частиц дано в рамках квантовой теории поля: частицы — это кванты соответствующих полей, заполняющих всё пространство-время. Возбуждение электронного поля — электрон, возбуждение электромагнитного поля — фотон. Частицы и античастицы могут рождаться из вакуума и аннигилировать друг с другом, а их число не является строго постоянным — сохраняются лишь определённые квантовые числа. Эта картина с высокой точностью подтверждена экспериментально, например, в измерении аномального магнитного момента электрона.
Источники:
- «Физическая энциклопедия», тт. 1–5
- Гелл-Манн М., Цвейг Г. — работы по кварковой модели (1964)
- PDG (Particle Data Group) — Review of Particle Physics, 2023
- Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. — «Квантовая механика. Нерелятивистская теория»
- Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. — «Теория поля»