Классификации элементарных частиц.
В настоящее время, элементарные частицы делятся на четыре группы (таблица 2)
Название частицы |
Частица |
Анти-частица |
Электр. заряд, е |
Спин, ћ |
Масса |
L |
B |
Схема распада | ||||||||
|
0 |
1 |
0 |
Стаб |
0 |
0 |
| |||||||||
|
½ |
|
Стаб |
0 |
| |||||||||||
|
½ |
207 |
0 | |||||||||||||
|
½ |
3500 |
0 | |||||||||||||
|
0 |
½ |
0 |
Стаб |
0 |
| ||||||||||
|
0 |
½ |
0 |
Стаб |
0 |
| ||||||||||
|
0 |
½ |
0 |
|
0 |
| ||||||||||
|
0 |
273 |
0 |
0 |
| |||||||||||
|
0 |
0 |
264 |
0 |
0 | |||||||||||
|
0 |
960 |
0 |
0 |
| |||||||||||
|
0 |
0 |
670 |
0 |
0 | |||||||||||
|
0 |
0 |
1000 |
0 |
0 | |||||||||||
|
p |
½ |
1836 |
Стаб |
0 |
| ||||||||||
|
n |
0 |
½ |
1839 |
720 |
0 | ||||||||||
|
0 |
½ |
2300 |
0 | ||||||||||||
|
+1 |
½ |
2300 |
0 | ||||||||||||
|
-1 |
½ |
2300 |
0 | ||||||||||||
|
0 |
½ |
2600 |
0 | ||||||||||||
|
0 |
½ |
2600 |
0 | ||||||||||||
|
0 |
½ |
2600 |
0 | ||||||||||||
|
-1 |
½ |
3600 |
0 |
Фотоны. Они не имеют электрического заряда и массы покоя. Их основные характеристики: энергия=, спин равен единице (S=1*ћ). Фотоны оптического диапазона появляются при переходах атомов и молекул из возбужденных состояний в состояния с меньшей энергией. Гамма-фотоны появляются в результате аналогичных процессов, происходящих внутри ядер. При торможении электронов высоких энергий могут быть получены фотоны. Если фотон тормозится при ударе об ядро, происходит образование пары электрон+позитрон:
Фотоны участвуют только в электромагнитных взаимодействиях.
Лептоны. Они получили название от греческого слова «лептос» - легкий, мелкий. (Лепта – мелкая греческая монета, отсюда выражение – внести свою лепту). Общее число лептонов невелико, их всего шесть: электрон, мюон, таон (-лептон) и три вида нейтрино-электронное нейтрино, мюонное нейтрино , и таонное нейтрино . Все частицы имеют античастицы. Нейтрино не имеют электрического заряда и массы покоя, подобно фотонам они движутся со скоростью света.
Все лептоны имеют спин, равный половине (S=1/2*ћ). Для того, чтобы отличить элементарные частицы, входящие в группу лептонов, им приписывается квантовое число L, называемое лептонным зарядом.
Считается, что все лептоны имеют лептонный заряд L=+1, а антилептоны L=-1. Все остальные элементарные частицы не имеют лептонного заряда, для них L=0. Таким образом, если электрон и позитрон различаются знаком электрического и лептонного зарядов (-e и +е), то нейтрино и антинейтрино различаются только знаком лептонного заряда.
Во всех реакциях выполняется не только закон сохранения электрического заряда, но и закон сохранения лептонного заряда. Например, нейтрон в свободном состоянии не стабилен (радиоактивен). Он самопроизвольно(с периодом полураспада Т=12 мин) распадается по схеме:
Где электронное антинейтрино. У нейтрона и протонаL=0 , у электрона L=+1; значит, должна быть частицы с L=-1, это антинейтрино (у антинейтрино l=+1).
Мюоны – элементарные частицы с массой покоя примерно в 207 раз больше массы электрона. Среднее время жизни. Впервые открыты в 1946 г. в космических лучах.
Самая тяжелая частицы среди лептонов –-лептон (таон), его масса, где– масса электрона (самого легкого лептона). Тау – лептон был открыт в 1975 г. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Спин всех лептонов равен ½.
Третий класс частиц – мезоны. Это сильно взаимодействующие нестабильные частицы. К ним относятся – мезоны, называемые пионами,– мезоны, называемые каонами и эта-мезон(-мезон).
-мезон и -мезон не имеют античастиц и называютсяабсолютно нейтральными частицами.
Общая характеристика мезонов – отсутствие спина (S=0). Масса частиц, входящих в эту группу находится в диапазоне 270-1000 . Среднее время жизни. Мезоны не имеют лептонного заряда (L=0). Мезоны обладают также слабым и электромагнитным взаимодействием.
Барионы. К ним относятся: 1) протон и антипротон
2) нейтрон и антинейтрон
3) гиперон и антигиперон
Это нестабильные частицы, с массой покоя в 2000-3000 раз больше массы электрона()
Все барионы имеют спин, равный половине. Все барионы участвуют в сильных взаимодействиях, и следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Барионы открыты в космических лучах в начале 20-ч годов ХХ столетия. С 1953г. их получают на ускорителях. За исключением протона, все барионы не стабильны, среднее время жизни ФОРМУЛА.
При распаде барионов наряду с другими частицами, образуется другой барион. Эта закономерность является проявлением закон сохранения барионного заряда. Всем барионам приписывается квантовое барионное число В=+1, антибарионам В=-1. Все остальные частицы не имеют антибарионного заряда (В=0). Для всех реакций с участием барионов выполняется закон сохранения барионного заряда.
Барионы и мезоны объединяют в один класс сильнодействующих частиц, называемых адронами (адрос – с греческого означает крупный, массивный).
Кварки
В 60-у годы ХХв. Возникли сомнения в том, что все частицы, называемые элементарными, полностью оправдывают свое название. Основание простое – этих частиц оказалось очень много (ФОРМУЛА).
В 1964 г. Гелл-ман и Дж.Цвейг предложили модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях (адроны) построены из более фундаментальных частиц – кварков, имеющих дробные квантовые числа, в частности они имеют дробный электрический заряд и, где е – заряд электрона. Сначала считали, что существует три кварка. Их обозначают буквами:
U, d, и S
И три антикварка:
Но потом, системы кварков пришлось расширить, появились кварки:
C, b и t
И соответственно антикварки:
Итого: 6 кварков и 6 антикварков.
В таблице 3 указаны свойства кварков. Кроме электрического заряда и спина кварки характеризуются квантовыми числами, которые называют «странность» и «очарование» (шарм или чарм)
|
Тип кварка (аромат) |
Электр. заряд, q |
Барион. заряд, В |
Спин, ћ |
Странность, S |
Очарование, C |
Цвет |
1 |
U (верхний) |
0 |
0 |
ж.с.к. | |||
2 |
d (нижний) |
0 |
0 |
ж.с.к. | |||
3 |
S (странность) |
-1 |
0 |
ж.с.к. | |||
4 |
C (очарование) |
0 |
+1 |
ж.с.к. | |||
5 |
b (прелестный) |
0 |
0 |
ж.с.к. | |||
6 |
t (истинный) |
0 |
0 |
ж.с.к. | |||
1 |
0 |
0 |
ф.о.з | ||||
2 |
0 |
0 |
ф.о.з | ||||
3 |
+1 |
0 |
ф.о.з | ||||
4 |
0 |
-1 |
ф.о.з | ||||
5 |
0 |
0 |
ф.о.з | ||||
6 |
0 |
0 |
ф.о.з |
Таблица 3.
Согласно теории кварков, мезоны образуются из пары кварк-антикварк, например, -мезон () состоит изU-кварка и -антикварка; барионы состоят из трех кварков, например протон состоит из двухU-кварков и одного d-кварка, т.е. (U U d).
В связи с тем, что связанные состояния из трех кварков (типа SSS) противоречат принципу Паули, было введено понятие цвета кварка. Каждый кварк может существовать в трех «окрашенных» формах – желтый, синий и красный (смесь этих цветов дает «нулевой» белый цвет). Тогда S-кварки, образующие - гиперон (S S S), имеют неодинаковую окраску, и принцип Паули не нарушается. Таким образом «цвет», так же как «странность» и «очарование» - название квантового числа.
Сочетание цветов кварков в адронах должно быть таким, чтобы средний цвет адрона был нулевым. Например, в состав адрона входят кварки: U(ж), U(с), и d(к). В сумме получается белый цвет.
Антикварки окрашены в дополнительные цвета (антицвета), антицветом желтого является фиолетовый, синего – оранжевый, для красного – зеленый. Мезон, состоящий из кварка и антикварка, дают нулевой(белый) цвет.
В 1974 г. одновременно в двух лабораториях США была открыта частица с огромной массой (более трех масс нуклонов). В одной лаборатории ей дали название J , в другой , в связи с чем, эту частицу назвали(джей-пси-частицей). Вслед за этим открытием было открыто еще 6 ФОРМУЛА частиц.
Эти частицы состоят из четырех кварков.
Кроме U,d и S – кварков, в состав такой частиц входит четвертый «очарованный» кварк. Этот кварк отличается от других пяти тем, что квантовое число С (шарм или чарм) у него равно единице (С=1). Частицы, у которых С=+1, называются очарованными. У остальных, неочарованных кварков, чарм равен нулю (С=0). В состав мезонов и барионов С-кварк не входит.
В 1976 г. были открыты ипсилон частицы (частицы), в состав которых входит пятый кваркb. Впоследствии был открыт шестой кварк, обозначенный буквой t.
Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии оказались безуспешными. Это приводит к выводу о том, что кварки могут существовать только внутри адронов и в принципе не могут наблюдаться в свободном состоянии.