Элементарными называют частицы, у которых на данный момент не обнаружено внутренней структуры. Еще в прошлом веке элементарными частицами считались атомы. Их внутренняя структура — ядра и электроны — была обнаружена в начале XXв. в опытах Э. Резерфорда. Размер атомов — около 10 -8 см, ядер — в десятки тысяч раз меньше, а размер электронов совсем мал. Он меньше чем 10 -16 см, как это следует из современных теорий и экспериментов.
Таким образом, сейчас электрон — элементарная частица. Что касается ядер, то их внутренняя структура обнаружилась вскоре после их открытия. Они состоят из нуклонов — протонов и нейтронов. Ядра довольно плотные: среднее расстояние между нуклонами всего в несколько раз больше их собственного размера. Для того чтобы выяснить, из чего состоят нуклоны, понадобилось около полувека, правда, при этом заодно появились и были разрешены и другие загадки природы.
Нуклоны состоят из трех кварков, которые элементарны с той же точностью, что и электрон, т. е. их радиус меньше 10-16 см. Радиус нуклонов — размер области, занимаемой кварками, — около 10-13см. Нуклоны принадлежат к большому семейству частиц — барионов, составленных из трех различных (или одинаковых) кварков. Кварки могут по-разному связываться в тройки, и это определяет различия в свойствах бариона, например, он может иметь различный спин.
Кроме того, кварки могут соединяться в пары - мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Спин мезонов принимает целые значения, в то время как для барионов он принимает полуцелые значения. Вместе барионы и мезоны называются адронами.
В свободном виде кварки не найдены, и согласно принятым в настоящее время представлениям они могут существовать только в виде адронов. До открытия кварков некоторое время адроны считались элементарными частицами (и такое их название еще довольно часто встречается в литературе).
Первым экспериментальным указанием на составную структуру адронов были опыты по рассеянию электронов на протонах на линейном ускорителе в Станфорде (США), которые можно было объяснить, лишь предположив наличие внутри протона каких-то точечных объектов.
Вскоре стало ясно, что это — кварки, существование которых предполагалось еще ранее теоретиками.
Здесь представлена таблица современных элементарных частиц. Кроме шести видов кварков (в опытах пока проявляются только пять, но теоретики предполагают, что есть и шестой) в этой таблице приведены лептоны — частицы, к семье которых принадлежит и электрон. Еще в этой семье обнаружены мюон и (совсем недавно) t-лептон. У каждого из них есть свое нейтрино, так что лептоны естественным образом разбиваются на три пары е, nе; m, nm;t, nt.
Каждая из этих пар объединяется с соответствующей парой кварков в четверку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, как это видно из таблицы. Отличаются лишь массы. Второе поколение тяжелее первого, а третье поколение тяжелее второго.
В природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные создаются искусственно на ускорителях заряженных частиц или при взаимодействии космических лучей в атмосфере.
Кроме имеющих спин 1/2 кварков и лептонов, вместе называемых частицами вещества, в таблице приведены частицы со спином 1. Это кванты полей, создаваемых частицами вещества. Из них наиболее известная частица — фотон, квант электромагнитного поля.
Так называемые промежуточные бозоны W+ иW- , обладающие очень большими массами, были недавно обнаружены в экспериментах на встречных р-пучках при энергиях в несколько сотен ГэВ. Это переносчики слабых взаимодействий между кварками и лептонами. И наконец, глюоны — переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и сами кварки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но проявляются на промежуточных стадиях реакций рождения и уничтожения адронов. Недавно были зарегистрированы струи адронов, порожденные глюонами. Поскольку все предсказания теории кварков и глюонов — квантовой хромодинамики — сходятся с опытом, почти нет сомнений в существовании глюонов.
Частица со спином 2 — это гравитон. Его существование вытекает из теории тяготения Эйнштейна, принципов квантовой механики и теории относительности. Обнаружить гравитон экспериментально будет чрезвычайно трудно, поскольку он очень слабо взаимодействует с веществом.
Наконец, в таблице со знаком вопроса приведены частицы со спином 0 (Н-мезоны) и 3/2 (гравитино); они не обнаружены на опыте, но их существование предполагается во многих современных теоретических моделях.
Элементарные частицы
| спин | 0? | 1/2 | 1 | 3/2 | 2? | ||||||
| название | Частицы Хиггса | Частицы вещества | Кванты полей | ||||||||
| кварки | лептоны | фотон | векторные бозоны | глюон | гравитино | гравитон | |||||
| символ | H | u | d | ne | e | g | Z | W | g | ||
| (масса) | (?) | (?) | (0,5) | (0) | (~95Гэв) | (~80Гэв) | (?) | (?) | |||
| символ | с | s | nm | m | |||||||
| (масса) | (0?) | (106) | |||||||||
| символ | t | b | nt | t | |||||||
| (масса) | (0?) | (1784) | |||||||||
| Барионный заряд | 0 | 1/3 | 1/3 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Электрический заряд | 0, ±1 | 2/3 | 1/3 | 0 | -1 | 0 | 0 | ±1 | 0 | 0 | 0 |
| цвет | - | 3 | 3 | - | - | - | - | - | 8 | - | - |
Адроны — общее название для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы — мезоны и барионы.
Барионы (от греческого слова, означающего «тяжелый») — это адроны с полуцелым спином . Самые известные барионы — протони нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда-то странностью. Единицей странности обладают барион лямбда (L°) и семейство барионов сигма (S-, S+ и S°). Индексы +, - ,0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обладают барионы кси (X- и X°). Барион W- имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10-10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микромира это не так. Такая частица, даже двигаясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой скорости, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оставить свой след в детекторе элементарных частиц. Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антибарионов.
Протон — стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода. Трудно сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906—1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона,подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах a-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.
Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10-24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами — глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечныеразмеры ~ 10-13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.
Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия — протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут служить бета-распад нейтрона или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (для свободного протона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу). Спин протона равен 1/2. Адроны с полуцелым спином называются барионами ( от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, различные гипероны (L, S, X, W) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число — барионный заряд, равный 1 для барионов, - 1 — для антибарионов и О — для всех прочих частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля , он введен лишь для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в любых реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический характер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.