Глава 6. Физика элементарных частиц
§ 6.1. Классификация элементарных частиц
Элементарные частицы в точном значении этого термина - первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Понятие «элементарности» восходит к греческому «атом», которое в переводе с греческого означает «неделимый». Вводя этот термин, древнегреческие ученые вводили понятие элементарного «кирпичика» из которого строится весь окружающий нас мир.
В понятии «элементарные частицы» в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все наблюдаемые свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.
Понятие «элементарные частицы» сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение мельчайших носителей свойств вещества - молекул и атомов и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все наблюдаемые вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих - атомов. Выявление в дальнейшем составных частей атомов - электронов и ядер, установление сложной природы самих ядер, оказавшихся построенными всего из двух частиц (нуклонов): протонов и нейтронов, существенно уменьшило кол-во дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями – элементарными частицами. Выяснившаяся в нач. 20 в. возможность трактовки эл.-магн. поля как совокупности особых частиц - фотонов - дополнительно укрепила убеждённость в правильности такого подхода.
До конца XIX века принцип построения материи из атомов, как кирпичиков мирозданья, был общепринят в науке. Открытие Томсоном катодных лучей показало, что атом не может претендовать уровень элементарности. Атом оказался сложным образованием. Опыты по рассеянию α-частиц позволили Э. Резерфорду в 1911 г. установить, что в состав атома с порядковым номером входит массивное ядро с положительным зарядом. Открытие протона (Э. Резерфорд 1919 г.) и нейтрона (Чедвик 1932 г.) показало, что ядро также является сложным образованием. Ядро атома с порядковым номером Z и массовым числом А содержит Z протонов p и А – Z нейтронов n – всего А частиц (Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон, В. Гейзенберг, 1932).
Был сделан следующий шаг вниз по лесенке элементарности. На роль элементарных частиц теперь претендовали электрон, протон и нейтрон. Однако последующее развитие науки показало, что таких частиц намного больше.
Как правило, термин «элементарные частицы» употребляется в современной физике не в своём точном значении, а менее строго - для наименования большой группы мельчайших наблюдаемых частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами, т. е. объектами заведомо составной природы (исключение составляет протон - ядро атома водорода). Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. Помимо протона (p), нейтрона (n), электрона (e) и фотона (γ) к ней относятся: пи-мезоны (π), мюоны (μ), тау-лептоны (τ), нейтрино трёх типов (νe, νμ, ντ), т. н. странные частицы (К-мезоны и гипероны), очарованные частицы и прелестные (красивые) частицы (D- и B-мезоны и соответствующие барионы), разнообразные резонансы, в т. ч. мезоны со скрытым очарованием и прелестью (ncu-частщы, ипсилон-частицы)и, наконец, открытые в начале 80-х гг. промежуточные векторные бозоны (W, Z) - всего более 350 частиц, в основном нестабильных.
Число частиц, включаемых по мере их открытия в эту группу, постоянно растёт, и можно уверенно утверждать, что оно будет расти и впредь. Очевидно, что такое огромное кол-во частиц не может выступать в качестве элементарных слагающих материи, и действительно, в 70-х гг. было показано, что большая часть перечисленных частиц (все мезоны и барионы) представляют собой составные системы. Частицы, входящие в эту последнюю группу, более точно следовало бы называть "субъядерными" частицами, т. к. они представляют собой специфические формы существования материи, не агрегированной в ядра. Использование названия «элементарные частицы» применительно ко всем упомянутым частицам имеет в основном исторические причины и связано с периодом исследований (начало 30-х гг.), когда единств. известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица электромагнитного поля - фотон. Тогда эти частицы с известным правом могли претендовать на роль элементарных частиц.
Открытие новых микроскопических частиц постепенно разрушило эту простую картину строения материи. Однако вновь открываемые частицы по своим свойствам были в ряде отношений близки к первым четырём известным частицам: либо к протону и нейтрону, либо к электрону, либо к фотону. До тех пор пока количество таких частиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что все они играют фундаментальную роль в строении материи, и их включали в категорию элементарных частиц. С нарастанием числа частиц от этого убеждения пришлось отказаться, но традиции название элементарные частицы за ними сохранилось. В соответствии со сложившейся практикой термин «элементарные частицы» будет употребляться ниже в качестве общего названия всех мельчайших частиц материи. В тех случаях, когда речь будет идти о частицах, претендующих на роль первичных элементов материи, при необходимости будет использоваться термин "истинно элементарные частицы".
Наличие очень большого числа элементарных частиц – как уже было сказано их более 350 – поставило вопрос о классификации этих частиц. Первоначально проводили разделение на группы, исходя из массы частиц. Так возникло три группы частиц:
легкие частицы – лептоны;
тяжелые частицы – барионы;
частицы с промежуточной массой – мезоны.
Однако, оказалось, что масса не является хорошим параметром, по которому следует разделять частицы по группам. Так, например, в группу лептонов попал таон, масса которого равна 1784 МэВ, в то время, когда масса протона, который относится к группе барионов составляет всего 938 МэВ, то есть получается, что «легкая» частица почти вдвое тяжелее «тяжелой». Самые же тяжелые частицы попали в группу «средних» частиц – это B-мезоны с массой 5270 МэВ. Тем не менее, название групп осталось и при дальнейшей классификации оказалось, что определенная корреляция с массой среди групп частиц все-таки есть.
Анализ состава элементарных частиц показал, что большая часть этих частиц участвуют в сильном взаимодействии и такие частицы внутренней структурой. Эти частицы были названы адронами. Оказалось, что частиц, которые не участвуют в сильном взаимодействии не так уж много – это лептоны и кванты полей (см. рис.6.1). Наиболее многочисленная группа – это адроны.
Следующим признаком, по которому адроны разбивают на группы является тип статистики, которому подчинены частицы. Оказалось, что все частицы, имеющие целый спин, входят в группу мезонов. Следовательно, все мезоны подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, то есть являются бозонами. Адроны, имеющие полуцелый спин, подчиняющиеся статистике Ферми- Дирака, образуют группу барионов (см. рис.6.1) и являются фермионами.
Из
классификации приведенной на рисунке
6.1 видно, что и барионы
и мезоны
разделяются, в свою очередь на стабильные
частицы и резонансы.
В этом случае классификационным признаком
является время жизни частицы. Если время
жизни частицы сопоставимо с характерным
временем для сильного взаимодействия
,
то частица является резонансом,
если время жизни частицы больше, то
частицу относя к группе стабильных
частиц.
