Класифікація та взаємне перетворення елементарних частинок. Кварки

Елементарні частинки за властивостями і характеристиками можна поділити на три групи: фотони, лептони й адрони. Змістовна систематика елементарних частинок ґрунтується на їхньому відношенні до фундаментальних взаємодій.

До першої групи входить єдина частинка – фотон, перенощик електромагнітної взаємодії. В електромагнітній взаємодії беруть участь у тій чи іншій мірі всі частинки: заряджені та нейтральні, за винятком нейтрино.

До групи лептонів входять електрон, мюон, таон і відповідні їм нейтрино й античастинки. Лептони не беруть участі у сильній взаємодії. Усі лептони мають спин 1/2 і, будучи ферміонами, підкоряються статистиці Фермі–Дірака. Дивність лептонів дорівнює нулеві. Усім лептонам приписують лептонний заряд L = +1, для антилептонів L = -1 і L = 0 для всіх інших елементарних частинок.

У замкнутих системах при всіх процесах взаємоперетворення елементарних частинок лептонне число зберігається. Це закон збереження лептонного числа.

До групи адронів належать піони, каони, h – мезон, нуклони, гіперони, а так само їхні античастинки. Вони беруть участь у всіх чотирьох типах фундаментальних взаємодій.

Розрізняють стабільні (точніше, метастабільні) адрони (t >>10²³с) і резонанси (t ~10^-24с – 10^-23с). Стабільні частинки розпадаються за рахунок електромагнітної або слабкої взаємодії, резонанси – за рахунок сильної взаємодії. Стабільні адрони, що мають цілі спіни, тобто ферміони, називаються баріонами. Аналогічно розрізняють мезонні резонанси і баріонні резонанси. Баріонам і баріонним резонансам приписують баріонний заряд B = +1, антибаріонам і їх резонансам – B = –1. В усіх інших частинок B = 0. При всіх процесах взаємоперетворення елементарних частинок баріонне число зберігається. Це закон збереження баріонного числа.

Клас адронів поділяється на ізомультиплети - невеликі сімейства, члени яких тотожні стосовно сильної взаємодії. Типовий приклад ізомультиплета дає нуклонний ізодублет N, що містить протон p і нейтрон n.

Ізомультиплету в цілому приписується ізоспін T, що визначає кількість його членів N за формулою N = 2 T + 1. Окремі члени ізомультиплета розрізняються значеннями проекції ізоспіна T ₃, що змінюється від – T до T через одиницю в порядку зростання електричного заряду. Приклад: для нуклона N = 2, а тому T –1/2 (у нейтрона T ₃= -1/2, у протона T ₃ = + 1/2). Трьом піоном відповідає ізоспін T = 1.

Ізотопічний спін зберігається при сильній взаємодії, але порушується при інших фундаментальних взаємодіях.

Проекція ізотопічного спіна, баріонний заряд B, дивність S, зачарування C та істинність b зв’язані між собою формулою Гелл–Мана–Нишиджими

(9.15)

де q – електричний заряд.

Зміст уведених тут і раніше квантових чисел у тому, що вони зберігаються у визначених класах взаємоперетворень частинок. При сильних взаємодіях виконуються всі закони збереження (енергії, імпульсу, моменту імпульсу, зарядів (електричного, лептонного, баріонного, ізоспіна, дивності й парності).

У процесах, зумовлених слабкими взаємодіями, не зберігаються тільки ізоспін, дивність і парність.

Вважається, що всі адрони складаються з кварків – дробово-заряджених фундаментальних частинок. При цьому передбачається, що їх є шість сортів, або „ароматів”. Як і лептони, вони утворюють три дублети або покоління: (u, d), (c, s), (t, b), так що має місце глибока з теоретичної точки зору кварк–лептонна симетрія. Трьом дублетам антилептонів відповідає три покоління антикварків. Характеристики кварків наведені в таблиці 9.2.

Кожен мезон відповідно до кваркової теорії складається з одного кварка q і одного антикварка : ; кожен баріон – із трьох кварків: . Звичайні адрони містять тільки кварки u та d. Наприклад, кварковий склад піона , піона ,(), протона , нейтрона . Дивні адрони містять один або кілька кварків S. Наприклад, каон , гіперон .

У 1974 році відкритий мезон , що складається з пари . У 1977 році відкритий іпсилон-мезон ¡=, що мав „приховану чарівність”.

Таблиця 9.2

Кварк	Квантові числа	Маса, МеВ
Т	Т3	В	S	С	b	t	Q
Верхній u		+						+	~5
Нижній d		-						-	~7
Дивний s				-1				-	~150
Чарівний c								+	~1250
Красивий b						-1		-	~4700
Істинний t								+	~22000

Щоб побудувати – гіперон, як бачимо необхідно 3 кварки S з паралельними спінами, що не відповідає принципу Паулі. Тому було введено додаткове квантове число, що набуває трьох значень (кольору): red (R), green (G), blue (B). Тоді піон можна в символічній формі записати

;

гіперон

.

Отже, адрони є білими або безбарвними частинками.

У вільному стані кварки не виявлені. Кваркова теорія пояснює це „полоном” кольору. Вірність моделі кварків у цілому не викликає сумнівів (багато її нетривіальних пророкувань підтверджено експериментом), але зрозуміло, що потрібні нові гіпотези й експерименти для просування в цьому напрямку.

Сучасне уявлення про сильну взаємодію базується на припущенні про обмін кварків глюонами – частинками, маса спокою яких дорівнює нулеві, спін дорівнює 1. Вважають, що існують 8 глюонів, кожний з яких має колір. Обмін глюонами приводить тільки до зміни кольору кварків, залишаючи без змін інші квантові числа. Питання взаємодії кольорових кварків і глюонів вивчаються квантовою хромодинамікою (КХД).

Отже, сьогодні вважається, що складовими елементами матерії є кварки і лептони 6 сортів, взаємодії між якими виникають за рахунок обміну відповідними перенощиками. Загальний для всіх фундаментальних взаємодій обмінний механізм дає надію на можливість побудови надалі єдиної теорії устрою матерії.

Дата добавления: 2014-01-07