Характеристики частиц

Важнейшей физической характеристикой элементарных частиц является их масса. Сегодня массы измерены с большой точностью. Например, масса электрона имеет величину m_e = 9,1093897(54)•10^-28 г = 0,51099906(15) Мэв/с², а масса протона (ядра атома водорода) — m_p = 1,6726231(10)•10^-24 г = 938,27231(28) Мэв/с².

Второй важной физической характеристикой частицы является ее собственный механический момент, называемый спином. Спины частиц квантованы — они всегда кратны половине величины, называемой постоянной Планкађ= 1,05457266(63)•10^-27эрг•с = 6,5821220(20)•10^-22 Мэв•с, так что они могут быть либо целыми (0, 1, 2…), либо полуцелыми (1/2, 3/2, 5/2…). Частицы с целыми спинами называют бозонами, с полуцелыми — фермионами, их статистические свойства резко отличаются: количество бозонов, которые могут находиться в одинаковых состояниях, не ограничено, а два фермиона занимать одно и то же состояние не могут. Первые описываются статистикой Бозе — Эйнштейна, вторые — статистикой Ферми — Дирака.

Электрические заряды элементарных частиц всегда квантованы и кратны величине элементарного заряда е = 1,60217733(49)•10^-19 кулона или его определенной части (в случае кварков — 1/3 е).

Важной характеристикой элементарной частицы является ее время жизни. Среди наблюдаемых элементарных частиц в настоящее время стабильными (с бесконечно большим временем жизни) считаются: электрон, фотон, нейтрино (разных типов) и протон, причем в ряде моделей предполагается, что последний может быть нестабильным. Остальные частицы нестабильны и распадаются по экспоненциальному закону, так что за время t их количество убывает в e^-t/τ раз, при этом их время жизни для разных частиц варьируется в очень широком диапазоне (например, у нейтрального пиона- 10^-16 с, а у нейтрона — 10 мин).

Взаимодействие между частицами

Нестабильность элементарных частиц есть одно из проявлений их общего свойства взаимопревращаемости и является следствием взаимодействия их фундаментальных составляющих. Сегодня известны четыре базовых типа взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, различающиеся по силе (константе) взаимодействия. Взаимодействие между частицами ведет либо к превращению одних частиц в другие, либо к возникновению составных комплексов, таких как ядра атомов, атомы и молекулы, причем такие процессы подчиняются определенным законам сохранения. Это — законы сохранения энергии-импульса, момента количества движения, связанные с симметрией пространственно-временного континуума, а также сохранения электрического и других типов зарядов, относящиеся к различным, так называемым внутренним симметриям физических систем. При этом с каждым типом базового взаимодействия связаны свои законы сохранения, позволяющие различать их в практических экспериментах.

Квантовые поля

Понятие квантового поля возникло в физике как синтез представлений о физических полях типа электромагнитного поля Фарадея — Максвелла и полей вероятностей, описываемых волновыми функциями в квантовой механике. Физические поля были введены, когда возникла необходимость отказаться от принципа мгновенного действия сил, существовавшего в механике Ньютона. Предполагается, что пространство между двумя взаимодействующими частицами (например, двумя электрическими зарядами) заполнено полем, которое служит переносчиком взаимодействия с одной из частиц на другую, причем перенос этот идет с определенной скоростью. Так электромагнитное поле передает действие одной заряженной частицы на другую со скоростью света и тем самым служит переносчиком электромагнитного взаимодействия между частицами. В случае квантовых полей происходит тот же процесс передачи взаимодействия, но и он происходит квантами — порциями, при этом в качестве последних выступают элементарные частицы, имеющие строго фиксированные характеристики массы, спина, заряда и др. Таким образом, с одной стороны, сами взаимодействующие частицы имеют квантованные характеристики массы, спина, заряда, а с другой стороны, взаимодействие между ними передается квантовым полем специального типа со своими квантованными характеристиками.