3.1. Элементарная частица

С открытием нейтрона сформировалась полная картина атома: положительно заряженное атомное ядро, состоящее из протонов и нейтронов, в котором содержится 99,9% его массы, и электроны на электронных орбиталях. Чтобы подчеркнуть важность понимания путей развития еще не окончательно сформировавшейся науки, изначально был выбран исторический подход. Сейчас же рассмотрим доступную на данный момент классификацию.

Открытие указанных частиц породило новые вопросы, а старые остались не отвеченными. Некоторые свойства и эффекты не вкладывались в картину строения ядра и тем более – в его превращения. Дать четкое определение элементарной частицы даже в современной физике оказывается затруднительным. Первое приближение «частицы, внутреннюю структуру которых нельзя представить как объединение других частиц» всегда идет вместе с обязательной приставкой «на современном уровне развития физики». Наблюдения доказывающие, что элементарные частицы ведут себя как единое целое, дают надежду, что эти частицы действительно не структурированы и фундаментальны, но даже протон считался не структурированной частицей. Сейчас же физика элементарных частиц разделяет протон на т. н. «кварки».

3.2. Силы взаимодействия.

Чтобы понять свойства и поведение элементарных частиц, нужно рассмотреть известные на сегодняшний день силы взаимодействия. Всего их 4, в порядке убывания интенсивности: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью константы взаимодействия. Это безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия.

Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.

Радиус взаимодействия определяет наибольшее расстояние, на котором это взаимодействие проявляется.

Время жизни определяет среднее время жизни частиц, распадающихся за счет данного вида взаимодействия.

Вид взаимодействия	Константа взаимодействия	Время жизни, с	Радиус действия, см
Сильное	10	10-23	10-13
Электромагнитное	10-2	10-16	Не ограничен
Слабое	10-14	10-8	10-18
Гравитационное	10-39	-	Не ограничен

Сильное взаимодействие ответственно за связь нуклонов в ядре.

Электромагнитное взаимодействие существует между всеми частицами, обладающими электрическим зарядом

Слабое взаимодействие ответственно за все виды β-распада ядер (включая e-захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом

Гравитационному взаимодействию подвержены все частицы, однако в процессах микромира гравитационное взаимодействие ощутимой роли не играет.

3.3. Классификация элементарных частиц.

Теперь, когда история открытия частиц, считавшихся, или являющихся элементарными отчасти открыта, сложности и принципы открытия и регистрации понятны, приближенное определение элементарной частицы дано, и силы взаимодействия рассмотрены, можно «с головой» окунуться в еще не исследованный и развивающийся раздел физики.

Хотелось бы рассказать о кварках и структуре частиц, долгое время считавшихся фундаментальными. Но рассказывать о не завершенном разделе физики, во многом гипотетическом и математически не доказанным будет слишком сложно. Поэтому ограничимся двумя понятиями: фундаментальная частица – частица, которая на данный момент считается не структурированной, объект исследования физики элементарных частиц. И элементарная частица – также объект исследования физики элементарных частиц, но состоящий из слишком сложной и не до конца описанной структуры. Граница рассматриваемых элементарных частиц будет находиться на уровне преподаваемого курса физики.

Современная картина элементарных частиц выглядит так, как показано на схеме ниже.

Схема не служит объяснением составных частей элементарных частиц, а лишь устанавливает наличие связи между ними. Некоторые разделы не закончены, в некоторых присутствуют противоречия, а другие существуют лишь в виде гипотезы. Старшие курсы физики бакалавриата технических вузов ограничены четырьмя классами частиц: фотон (частица и класс), лептоны, мезоны, барионы. Барионы и Мезоны объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц – Адроны. Рассмотрим каждый из них в отдельности, намеренно ограничиваясь лишь названием некоторых частиц (например Бозон).

1. Фотоны, γ. Бозон, квант электромагнитного поля в виде поперечных электромагнитных волн. Участвует в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильными и слабыми взаимодействиями. Частица без массы, стабильна, способна существовать в вакууме только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд равен нулю. Чаще рассматривается как волна, но фотону свойственен корпускулярно-волновой дуализм.

В современной физике считается переносчиком электромагнитных взаимодействий, фундаментальной частицей без размеров и структуры

2. Лептоны. Фундаментальные частицы, не обладающие сильным взаимодействием. К их числу относятся: электроны, мюоны, тау-лептон, нейтрино, мюонные нейтрино, тау-нейтрино. С достаточной детализацией в курсе физики рассматриваются электроны и нейтрино, относящиеся к первому поколению лептонов. Все эти частицы – фермионы, то есть имеют спин равный ½. Те из них, которые имеют электрический заряд обладают также электромагнитным взаимодействием.

Отдельного внимания заслуживает Нейтрино. Эта частица, будучи лептоном, не может принимать участие в сильных взаимодействиях. У неё нет заряда, потому электромагнитное взаимодействие исключено. Исключая малость гравитационного взаимодействия, остается только одно – слабое.

Нейтрино, и соответствующая ему частица с отрицательным зарядом – антинейтрино, участвуют в бета-распаде (тип радиоактивного распада, меняющий заряд ядра на единицу без изменения его массы). Эта частица стала ответом на вопрос «куда девается энергия» при таком виде распада и «спасла» закон сохранения энергии. На данный момент известно, что в ходе β-распада ядро испускает электрон и антинейтрино (β^- распад) или же позитрон и нейтрино (β⁺ распад).

Нейтрино стабилен, имеет время жизни больше 7*10⁹ с и очень малую массу <0,12 ЭВ. Факт наличия массы у нейтринно был доказан не так давно, и теория доказавшая наличие массы у нейтрино была удостоена Нобелевской премии по физике 2015 года.

3. Мезоны. Адроны, элементарные частицы с сильным взаимодействием, нестабильны, не несут т.н. «барионного заряда». К ним относятся пионы (π - мезоны), каоны (K - мезоны) и другие, более тяжелые, мезоны.

Существуют положительный π⁺, отрицательный π^- и нейтральный π⁰ мезоны. Заряд π⁺ и π^- мезонов равен элементарному заряду e. Масса заряженных пионов одинакова и равна 140 МэВ. Масса π⁰ мезона равна 135 МэВ. Все три частицы нестабильны и имеют время жизни меньше 2,61*10^-8 с. Будучи элементарными частицами, все три частицы принимают участие в важных распадах на фундаментальные частицы.

Масса K-мезонов составляет порядка 494 МэВ для заряженных и 498 МэВ для нейтральных K-мезонов. Время распада также имеет величину порядка 10^-8.

В отличие от лептонов, мезоны обладают также сильным взаимодействием и электромагнитным при наличии заряда. Сильное взаимодействие проявляется между друг другом, мезонами и барионами. Спин всех мезонов равен нулю, что относит их к бозонам.

4. Барионы. Элементарные частицы. Объединяют в себя нуклоны (структурны части ядра, протон p и нейтрон n) и нестабильные частицы с массой, большей массы нуклонов, получивших название гиперонов. Все барионы обладают сильным взаимодействием. Их спин равен ½, что относит их к фермионам. За исключением протона, все барионы нестабильны. При распаде бариона, наряду с другими частицами, обязательно образуется барион. Эта закономерность получила название закона сохранения барионного заряда.

Конечно же, указанная выше квалификация не покрывает все элементарные и фундаментальные частицы. Существуют еще так называемые резонансы, со временем жизни меньше 10^-24 с. Помимо этого для упрощения материала множество известных частиц было просто пропущено. Важно не дать свойства и характеристики всех элементарных частиц, что просто невозможно, так как эти свойства еще не исследованы, а объяснить какую роль они играют в физике. Подытожив краткое описание частиц этой ролью является перенос взаимодействий и подкрепление закона сохранения заряда. Финальной целью открытия, исследования свойств и характеристик этих частиц будет являться создание четкой теории строения микромира. Хотя использовать приставку «микро» для частиц такого размера, заряда и массы кажется уже комичным. И, конечно же, не факт что эта теория в итоге будет создана вместо другой теории, которая вполне может выходить за рамки имеющихся представлений о физике.