Элементарные частицы и их классификация¶

Элементарные частицы — условное собирательное понятие для мельчайших объектов микромира, которые в рамках современной физики не удаётся разделить на составные части. К ним относят фундаментальные фермионы (кварки и лептоны), фундаментальные бозоны (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны, бозон Хиггса) и составные частицы — адроны, построенные из кварков. Термин исторически возник в 1930-е годы, когда известны были лишь электрон, протон, нейтрон и фотон; по мере открытия новых объектов он потерял буквальный смысл, поскольку многие «элементарные» частицы оказались составными.

¶История изучения

Первой открытой элементарной частицей стал электрон: его исследовал Джозеф Джон Томсон в 1897 году при изучении катодных лучей. В 1911 году Эрнест Резерфорд предложил планетарную модель атома, а в 1919 году обнаружил протон. Нейтрон открыл Джеймс Чедвик в 1932 году. В том же году Карл Андерсон зафиксировал позитрон — первую античастицу, предсказанную Полем Дираком в 1928 году.

В 1930-е годы Хидэки Юкава предсказал существование мезона как переносчика ядерного взаимодействия; в 1936 году был открыт мюон, а в 1947 году — пион. С 1950-х годов на ускорителях началось лавинообразное открытие новых частиц, что привело к понятию «частичного зоопарка». В 1964 году Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо предложили кварковую модель, объяснившую структуру адронов. В 2012 году на Большом адронном коллайдере был обнаружен бозон Хиггса, предсказанный в 1964 году.

¶Классификация

По современным представлениям частицы делятся по спину и типу взаимодействия.

¶Фундаментальные фермионы

Кварки и лептоны образуют три поколения. Каждое поколение включает два кварка и два лептона. Кварки не наблюдаются в свободном состоянии из-за конфайнмента — свойства сильного взаимодействия удерживать их внутри адронов. Лептоны существуют как свободные частицы; электрон — стабилен, мюон и тау-лептон распадаются.

¶Адроны

Адроны делятся на барионы (три кварка) и мезоны (кварк и антикварк). Протон и нейтрон — барионы, образующие атомные ядра. В 2015 году подтверждено существование пентакварков и тетракварков — экзотических адронов.

¶Фундаментальные взаимодействия

Все процессы в микромире описываются четырьмя взаимодействиями:

• Сильное — удерживает кварки в адронах и нуклоны в ядре; переносится глюонами.
• Электромагнитное — действует между заряженными частицами; переносится фотонами.
• Слабое — отвечает за радиоактивный распад и превращения кварков; переносится W- и Z-бозонами.
• Гравитационное — в микромире пренебрежимо слабо, не описывается Стандартной моделью.

¶Стандартная модель и её границы

Стандартная модель — теория, описывающая все известные элементарные частицы и три взаимодействия (кроме гравитации). Она включает 12 фермионов, 12 антифермионов, калибровочные бозоны и бозон Хиггса. Модель успешно предсказывает результаты экспериментов, однако не объясняет тёмную материю, массу нейтрино и асимметрию материи и антиматерии. Эти проблемы стимулируют поиск физики за пределами Стандартной модели — суперсимметрию, теории струн, модели с дополнительными измерениями.

¶Античастицы и аннигиляция

Каждой частице соответствует античастица с той же массой, но противоположным зарядом. При столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция с рождением фотонов или других частиц. Вещество во Вселенной состоит преимущественно из частиц; причина барионной асимметрии остаётся открытой проблемой.

¶Методы исследования

Основные инструменты изучения элементарных частиц:

• Ускорители — разгоняют частицы до высоких энергий и сталкивают их (Большой адронный коллайдер, коллайдеры в Дубне, Протвино).
• Детекторы — регистрируют продукты столкновений (пузырьковые и искровые камеры, кремниевые трекеры, калориметры).
• Космические лучи — естественный источник частиц высоких энергий.
• Нейтринные обсерватории — подземные и подводные установки для регистрации нейтрино.

¶Значение

Изучение элементарных частиц лежит в основе ядерной физики, физики высоких энергий и космологии. Открытия в этой области привели к созданию ядерной энергетики, методов ядерной медицины (позитронно-эмиссионная томография), ускорительной техники и технологий обработки материалов. В России исследования ведутся в Объединённом институте ядерных исследований в Дубне, Институте физики высоких энергий, Институте ядерной физики СО РАН и других центрах.

¶Интересные факты

• Масса нейтрино крайне мала, но не равна нулю — это противоречит первоначальной версии Стандартной модели.
• Кварки имеют дробный электрический заряд: +2/3 или −1/3 от заряда электрона.
• Время жизни топ-кварка составляет около 10⁻²⁵ секунды — он распадается раньше, чем успевает образовать адрон.
• Конфайнмент означает, что попытка «выбить» кварк из протона приводит к рождению новых адронов, а не к появлению свободного кварка.

Источники: учебники по физике элементарных частиц, материалы ЦЕРН, обзоры Объединённого института ядерных исследований, научно-популярные издания по физике высоких энергий.