Елементарні частинки, їх класифікація і взаємна перетворюваність

Елементарними частинками називаються такі частинки, які не мають внутрішньої структури, що є простим з`єднанням інших стабільних частинок.

При взаємодії з іншими частинками і полями елементарна частинка веде себе як одне ціле. Елементарні частинки можуть перетворюватись одна в одну.

В області енергій, менших від , де – маса спокою частинки, структура елементарних частинок не впливає на взаємодії між ними та іншими частинками і полями. В цих випадках елементарні частинки розглядаються як безструктурні матеріальні точки, що мають ряд властивостей: масу спокою, електричний заряд, спін та ін.

Із співвідношень невизначеностей виходить, що для вивчення структури елементарних частинок необхідно досліджувати процеси, що відбуваються на досить малих відстанях , яким відповідає невиз­наченість імпульсу . Чим менші відстані , зв’язані зі структурою елементарних частинок, тим більшим повинен бути імпульс P частинок, він не може бути меншим, ніж . Отже, з’ясування структури елементарних частинок можливе лише в галузі фізики високих енергій.

На основі великого експеримен­тального матеріалу встановлено, що кожна частинка має свою античастинку, яка має таку саму масу і спін, але відрізняється протилежним значенням іншої її характеристики. Крім електричного заряду, введені лептонні і баріонні заряди, які властиві певним категоріям елементарних частинок.

Елементарні частинки діляться на такі групи:

Фотони

Вони не мають електричного заряду і маси спокою. Їх основні характеристики: енергія і спін, який дорівнює одиниці. Фотони оптичного випромінювання мають малі енергії – декілька еВ; вони появляються при переходах атомів і молекул із збуджених станів в стани з меншою енергією. Гамма-фотони появляються в результаті аналогічних процесів, що відбуваються всередині атомних ядер. При гальмуванні електронів високих енергій можуть бути отримані фотони дуже великих енергій – до 1000 МеВ, що майже у 2000 разів перевищує власну енергію електрона. У зворотному процесі, коли фотон „гальмується” при прямому ударі об ядро, відбувається утворення пари електрон-позитрон

.

При цьому енергія фотона, що зникає, повинна бути не менша, ніж сума власних енергій частинок, що появилися, тобто .

Лептони

До них належать 4 пари елементарних частинок:

а) пара електронних нейтрино і антинейтрино ;

б) пара мюонних нейтрино і антинейтрино ;

в) пара електрон і позитрон ;

г) пара мю-мезонів (мюонів) - позитивний і негативний .

Усі чотири різновидності нейтрино не мають електричного заряду і маси спокою; рухаються з швидкістю світла. На відміну від фотонів вони мають спін, який дорівнює 1/2. Електронні нейтрино появляються в процесах розпаду разом з елек­троном (антинейтрино) або з позитроном (нейтрино):

, .

Мюонні нейтрино появляються в процесі розпаду мю-мезонів:

; .

Існування мюонних нейтрино було виявлено при бомбардуванні потоком нейтрино високих енергій (більше ) алюмінієвої мішені. Були виявлені реакції утворення мюонів .

Електрон і позитрон мають однакові маси і спін, але протилежні електричні і лептонні заряди. Внаслідок цього вони здатні до „анігіляції”, тобто до ”зникнення”, з утворенням двох або трьох фотонів.

Мюони мають електричні і одиничні лептонні заряди; їх спін дорівнює 1/2. Маса спокою мюонів . Се­редній час існування мюона с.

Мезони

До них належать - мезони (піони), K - мезони (каони). Загальна їх характери­тика – це відсутність спіна. - мезони відіграють важливу роль в ядерних взаємодіях нуклонів і у визначенні магнітних моментів. Існують:

а) нейтральні - мезони; їх маса ( – маса спокою елек­трона). Вони мають малий час життя і перетворюються переважно у два фотони .

б) заряджені - мезони; їх маса , середній час життя - , вони перетворюються за схемою

; .

Піони в остаточному рахунку перетворюються на дві пари лептонів, які мають протилежні лептонні заряди:

,

.

На цьому прикладі ілюструється важливий закон фізики елементарних частинок: алгебраїчна сума довільних зарядів (в даному випадку - електричних і лептонних) у всіх реакціях зберігається сталою. Піони не мають лептонного заряду, тому сума лептонного заряду електрона (+1) і електронного антинейтрино, а також мюонних нейтрино (+1) і антинейтрино (-1) дорівнює нулю. Парне число продуктів розпаду необхідно і для одержання сумар­ного спіну, оскільки спін вихідної частинки – піона – дорівнює одиниці.

K- мезони відрізняються від піонів більшою масою. Нейтральні і ма­ють масу , заряджені i мають масу .

Середній час життя і схеми перетворення наведені нижче:

	, с
		®
		®
		® ® ® ® ®

Баріони

До них належать: пара стабільних частинок – протон+антипротон, пара – нейтрон + антинейтрон і три типи гіперо­нів, які називаються лямбда-, сігма - і ксі-гіперонами (кожен з них має відповідну античастинку). Заряди q, маси m, час ін­тенсивності і схеми перетворень гіперо­нів наведені нижче:

	q	m
Лямб­да	0	2183
Сігма-нуль	0	2331,8
Cігма-плюс	+e	2327,7
Cігма-мінус	–e	2340,5
Ксі-нуль	0	2565
Ксі-мінус	–e	2580

Всі баріони мають спін, який дорівнює половині. Баріонам приписується баріонний заряд (частинкам +1, а анти час­тинкам -1), який теж підпорядкований закону збереження. Дію цього закону разом із дією закону збереження спіна і елек­тричного заряду можна простежити у процесах перетворення, народження і анігіляції пар баріонів, наприклад:

Крім перерахованих вище частинок, виявлено численні сильно взаємодіючі короткоживучі частинки, які отримали назву резонансів. Ці частинки являють собою резонансні стани, утворені двома або біль­шою кількістю елементарних частинок. Час життя резонансів становить лише .

ІВАНЕНКО ДМИТРО ДМИТРОВИЧ

(нар.1904 р.)

Розвивав нелінійну єдину теорію, яка враховує кварки і субкварки.

БОГОЛЮБОВ МИКОЛА МИКОЛАЙОВИЧ

(1909-1992)

Розвинув математичний апарат теорії елементарних частинок. Довів, що висновок про дробові значення основних квантових чисел кварків взагалі не є обов’язковим, бо в принципі унітарну систематику можна побудувати так, що квантові числа кварків залишаються цілочисельними, якщо припустити існування трьох різних типів кварків.

АХІЄЗЕР ОЛЕКСАНДР ІЛЛІЧ

(1911-2000)

Виконав великий цикл робіт по електродинаміці адронів. Сформулював правило еквідистантності для різних електромагнітних харак­теристик адронів.

Разом з М.Т.Фекало узагальнив модель кварків на електромагнітні процеси з участю адронів. Встановив кваркову структуру фотону, яка дозволила розвинути теорію комптонівського розсіяння фотонів нуклонами і ядрами.