Элементарные частицы — классификация и свойства¶

Элементарная частица — неделимая (на современном уровне экспериментальных данных) фундаментальная частица материи или излучения, не состоящая из других частиц. Термин возник в конце XIX — начале XX века, когда было установлено, что электричество и свет состоят из дискретных порций — квантов. В современной физике элементарными считаются кварки, лептоны и калибровочные (переносчики взаимодействий) бозоны, а также гипотетический гравитон. Частицы, состоящие из элементарных (протоны, нейтроны, мезоны, адроны), называются составными или адронами.

¶История открытия

¶Первые элементарные частицы

Первой открытой элементарной частицей считается электрон — открытие Дж. Дж. Томсоном в 1897 году при изучении катодных лучей. В 1905 году А. Эйнштейн объяснил фотоэффект, предположив, что свет состоит из квантов — фотонов. В 1919 году Э. Резерфорд ввёл понятие протона как ядра атома водорода. В 1932 году Дж. Чедвик открыл нейтрон, замкнув картину строения атомного ядра.

¶Период «частиц-частиц»

В 1930-е годы было открыто множество нестабильных частиц, порождённых космическими лучами: позитрон (К. Андерсон, 1932), мюон (1936), пи-мезон (мезон, 1947), каон (1947). Это привело к появлению так называемого «зоопарка частиц». В 1964 году М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг независимо предложили кварковую модель, объяснившую многообразие адронов конечным набором фундаментальных составляющих — кварков.

¶Классификация

Согласно Стандартной модели, все элементарные частицы делятся на две большие группы — фермионы (частицы материи) и бозоны (переносчики взаимодействий).

¶Фермионы

Фермионы подчиняются статистике Дирака — Ферми — Бозе и обладают полуцелым спином (1/2). К ним относятся:

• Кварки — шесть «ароматов»: верхний (u), нижний (d), очарованный (c), странный (s), прелюбопытный (t), истинный (b). Обладают дробным электрическим зарядом (+2/3 или −1/3 элементарного заряда) и цветным зарядом, участвуют в сильном взаимодействии.
• Лептоны — шесть частиц: электрон (e), мюон (μ), тау-лептон (τ) и три соответствующих нейтрино (νe, νμ, ντ). Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, обладают целым (0 или −1) зарядом.

¶Бозоны

Бозоны подчиняются статистике Боза — Эйнштейна, обладают целым спином и не ограничены принципом Паули. К ним относятся:

• Фотон (γ) — переносчик электромагнитного взаимодействия, масса покоя отсутствует.
• W± и Z-бозоны — переносчики слабого взаимодействия, массы около 80 и 91 ГэВ/с² соответственно.
• Глюоны (8 типов) — переносчики сильного взаимодействия, сами обладают цветным зарядом.
• Бозон Хиггса (H) — открыт в 2012 году на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН, отвечает за механизм спонтанного нарушения электрослабой симметрии и приобретение массы элементарными частицами.
• Гравитон — гипотетическая частица гравитационного взаимодействия, экспериментально не обнаружена.

¶Античастицы

Каждой элементарной частице соответствует античастица с теми же массой, временем жизни и спином, но противоположными по знаку зарядом, изотопическим зарядом и другими квантовыми числами. Античастица электрона — позитрон, античастица протона — антипротон. Аннигиляция частицы и античастицы приводит к рождению квантов поля.

¶Основные характеристики

Для описания элементарных частиц используются квантовые числа: электрический заряд, спин, барионное число, лептонное число, изотопический спин, странность, очарование, прелюбопытность, истинность. Каждой частице присваивается также характеристика C-чётности (чётность по заряду) и P-чётности (пространственная чётность). Некоторые частицы, например нейтрино, могут осциллировать — переходить из одного типа в другой, что подтверждает их ненулевую массу.

¶Роль в России

Российский вклад в физику элементарных частиц значителен. Академик И. Е. Тамм и И. М. Франк получили Нобелевскую премию (1958) за теорию черенковского излучения, позволившего регистрировать быстрые заряженные частицы. Л. Д. Ландау — лауреат Нобелевской премии (1962) за вклад в теорию конденсированного состояния и физику низких температур. В СССР были созданы крупные установки: синхрофазотрон в Дубне (1967, 10 ГэВ), У-70 в Протвино (1967, 76 ГэВ) — крупнейший ускоритель в мире на момент запуска. Международный центр ядерных исследований в Дубне — один из ведущих мировых центров физики частиц, где синтезированы элементы 113–118 периодической таблицы.

¶Применение

Знания об элементарных частицах применяются в медицинской диагностике (позитронно-эмиссионная томография, ПЭТ), в ядерной энергетике, в детекторах радиации, в лучевой терапии. Методы физики высоких энергий используются в материаловедении и в компьютерном моделировании.

¶Интересные факты

• Нейтрино настолько слабо взаимодействуют с веществом, что поток от Солнца, проходя сквозь Землю, практически не ослабляется.
• Античастицы синтезированы в лабораторных условиях и используются, например, в ПЭТ-сканерах.
• Бозон Хиггса был открыт через 48 лет после его теоретического предсказания (1964 — 2012).

Источники:

• «Физика частиц» — учебник под ред. В. А. Беднягина, М.: Наука
• Стандартная модель физики элементарных частиц — обзоры CERN
• «Краткий курс физики элементарных частиц» — В. А. Беднягин, Д. В. Наумов
• Энциклопедический словарь «Физика» — Большая российская энциклопедия
• История открытия элементарных частиц — материалы ФИАН и Объединённого института ядерных исследований