§ 6.4. Характеристики частиц

Перечислим наиболее важные характеристики, значениями которых частицы отличаются друг от друга. Принято выделять две группы характеристик. Первая группа – это группа характеристик, связанная со свойствами пространства-времени, вторая – внутренние квантовые числа, отражающие симметрию фундаментальных взаимодействий.

Рассмотрим сначала характеристики первой группы.

1). Масса частицы – m.

В ядерной физике, как правило, масса выражается в энергетических единицах (МэВ), основываясь на соотношении Эйнштейна

(6.4.1)

Изначально элементарные частицы классифицировались именно по массам. Их разделили по величинам масс на три класса: легкие – лептоны, средние – мезоны, тяжелые – барионы. Однако, оказалось, что такое разделение по массам не является правильным и масса является плохим признаком для классификации. Оказалось, что таон τ ^–, относящийся к группе лептонов (легких частиц) примерно вдвое тяжелее протона, который относится к группе барионов (тяжелым частиц). 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 свойств с массой среди групп частиц все-таки есть.

2). Спин – J.

Спин измеряется в единицах и связан с собственным моментом импульса частицы. Известны частицы со спином от J = 0 (для бозонов) до J = 11/2 (Δ – барион). Для носителей взаимодействий величина спинов равна: у фотона – 1, у гравитона – 2.

Спин определяет тип статистики, которой подчиняется частица, а также трансформационные свойства волновой функции Ψ данной частицы. В том случае, когда спин частицы J = 0 волновая функция Ψ скалярная, для частиц со спином J = 1/2 волновые функции спинорные, а частицы с J = 1 имеют векторные волновые функции.

3). Пространственная четность – η_p.

Пространственная четность определяет поведение волновой функции относительно пространственной инверсии. Оператор пространственной инверсии является единичным оператором с собственными значениями η_p = . У всех стабильных бозонов, кроме гравитона, пространственная четность η_p = – 1, у гравитона η_p = + 1. У всех барионов пространственная четность η_p = + 1, у антибарионов η_p = – 1. У резонансов величина пространственной четности может быть как положительной, так и отрицательной.

4). Электрический заряд – q.

У всех наблюдаемых частиц электрический заряд пропорционален элементарному заряду e. Дробный заряд приписан только кваркам, но эти частицы в свободном состоянии еще никто не наблюдал. У большинства реальных частиц , есть частицы и с большим значением электрического заряда . Во всех известных превращениях выполняется закон сохранения электрического заряда.

5). Время жизни – τ.

В зависимости от времени жизни τ элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (τ > 2 · 10²² лет), протон (τ > 5 · 10³² лет), фотон и все типы нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитного и слабого взаимодействий. Их времена жизни лежат в интервале от 900 с для свободного нейтрона до 10^–20 с для S⁰-гиперона. Резонансами, как было указано выше, называются элементарные частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия. Их характерные времена жизни 10^–22 –10^–24 с.

6). Магнитный момент – μ.

Магнитный момент μ характеризует взаимодействие элементарных частиц с магнитным полем. Магнитный момент измеряется в ядерных магнетонах:

, (6.4.2)

где m_p – масса протона

Магнитные моменты элементарных частиц могут быть, как положительными, так и отрицательными. Так, например, магнитный момент протона μ_p= + 2,79 μ_N , а магнитный момент нейтрона μ_n= –1,91 μ_N.

Помимо указанных величин, Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом квантовых чисел, которые называются внутренними квантовыми числами. Рассмотрим характеристики этой группы.

7). Лептонный заряд – L.

Полный лептонный заряд равен сумме электронного лептонного заряда L_e, мюонного заряда L_μ и таонного заряда L_τ L = L_e+ L_μ + L_τ . Этот вопрос подробно рассмотрен в параграфе 6.3.

8). Барионный заряд – B.

Адроны с B = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входят протон p, нейтрон n, гипероны; очарованные и прелестные барионы, барионные резонансы), а адроны с B = 0 – подгруппу мезонов (π-мезоны, К-мезоны, очарованные и прелестные мезоны, бозонные резонансы). Для лептонов B = 0. Для фотона и векторных бозонов B = 0 и L = 0. У антибарионов B = – 1. Таким образом, барионный заряд отличен от нуля только у барионов. Барионный заряд и лептонный заряд являются величинами аддитивными.

9). Изоспин – Τ.

Уже первые исследования обычных адронов выявили наличие среди них семейств частиц, близких по массе и с очень сходными свойствами по отношению к сильному взаимодействию, но с различными значениями электрического заряда. Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства. Такие семейства позже были обнаружены среди странных, очарованных и прелестных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие семейства, является отражением существования у них одинакового значения квантового числа - изотопического спина T, принимающего, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно называются изотопическими мультиплетами. Число частиц в мультиплете N связано с T соотношением:

(6.4.3)

Частицы одного изотопического мультиплета отличаются друг от друга значением проекции изотопического спина T_Z.

Величина изоспина Τ может быть целой, либо полуцелой, принимая значения от 0 до 3/2.

10). Проекция изоспина - T_Z .