Элементарные частицы

1. Виды взаимодействия и классы элементарных части ц.

Дать строгое определение понятия элементарной частицы оказывается затруднительным. В качестве первого приближения можно понимать под элементарными частицами такие микрочастицы, внутреннюю структуру которых на современном уровне развития физики нельзя представить как объединение других частиц.

Известны четыре вида взаимодействия между элементарными частицами: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (перечислены в порядке убывания интенсивности). Интенсивность взаимодействия принято характеризовать с помощью, так называемой константы взаимодействия, которая представляет собой безразмерный параметр, определяющий вероятность процессов, обусловленных данным видом взаимодействия. Отношение значений констант дает относительную интенсивность соответствующих взаимодействий.

Сильное взаимодействие. Константа сильного взаимодействия имеет величину порядка 10. Наибольшее расстояние, на котором проявляется сильное взаимодействие (радиус действия r), составляет примерно 10^-13см. Именно этот вид взаимодействия обеспечивает связь нуклонов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности веществ в земных условиях. Вследствие своей большой величины сильное взаимодействие является источником огромной энергии. В частности, за счет него выделяется большая часть тепла внутри Солнца.

Электромагнитное взаимодействие. Константа взаимодействия равна постоянной тонкой структуры 1/137 ≈ 10^-2. Радиус действия не ограничен (r = ∞). Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны в атомах и связывает атомы в молекулы и кристаллы. Оно лежит в основе почти всех окружающих нас явлений – физических, химических и биологических. В электромагнитном взаимодействии участвуют частицы, обладающие электрическим зарядом.

Слабое взаимодействие. Константа слабого взаимодействия равна по порядку величины 10^-14. Слабое взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим. Слабое взаимодействие по своему характеру является деструктивным в том смысле, что оно не способно создавать устойчивые состояния вещества, как например, сила тяготения поддерживает существование Солнечной системы или электромагнитное взаимодействие обеспечивает стабильность атома. Другими словами, основное предназначение слабого взаимодействия регулировать время жизни неживой материи. Это взаимодействие ответственно за все виды β -распада ядер(включая e -захват), за многие распады элементарных частиц, а также за все процессы взаимодействия нейтрино с веществом.

Гравитационное взаимодействие. Константа взаимодействия имеет значение порядка 10^-39. Радиус действия неограничен (r = ∞). Гравитационное взаимодействие является универсальным и ему подвержены все элементарные частицы. Хотя оно и является самым слабым из всех, оно обладает кумулятивным эффектом. Так притяжение двух тел есть сумма притяжений между составляющими их массами. Поскольку в микромире вклад гравитационного взаимодействия мал по сравнению с другими взаимодействиями, оно не приводит к измеримым эффектам на субатомном уровне. Однако на макроскопическом уровне гравитационное взаимодействие является доминирующим: оно соединяет воедино части земного шара, объединяет Солнце и планеты в Солнечную систему и управляет эволюцией всей Вселенной.

Элементарные частицы обычно подразделяют на четыре класса (предположительно существует еще один класс частиц – гравитоны (кванты гравитационного поля). Экспериментально эти частицы пока не обнаружены.)

К первому классу относится только одна частица – фотон. Второй класс образуют лептоны. Третий класс – мезоны. Четвёртый класс – барионы.

Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами (греческое слово «адрос» означает крупный, массивный).

Перечисленные классы можно охарактеризовать следующим образом.

1. Фотоны, γ (кванты электромагнитного поля), участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействием.

2. Лептоны получили свое название от греческого слова «лептос», которое означает «легкий». К их числу относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны (e^-, e⁺), мюоны (μ^-,μ⁺), тяжелый тау-лептон (τ^-,τ⁺), а также электронные нейтрино (_е, _е), мюонные нейтрино (_μ, _m) и тау-нейтрино (_τ, _τ). Все лептоны имеют спин, равный ½, и, следовательно, являются фермионами, Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют электрический заряд (мюоны и электроны), обладают также электромагнитным взаимодействием.

3. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не несущие так называемое барионного заряда, К их числу принадлежат π-мезоны, или пионы (π⁺,π^-,π⁰), К -мезоны, или каоны (К ⁺, К ^-, К ⁰, ⁰), и эта-мезон (h). В отличие от лептонов мезоны обладают не только слабым (и, если они заряжены, электромагнитным), но также и сильным взаимодействием, проявляющимся при взаимодействии их между собой, а также при взаимодействии между мезонами и барионами, Спин всех мезонов равен нулю, так что они являются бозонами.

4. Барионы – нуклоны (p,n) и нестабильные частицы с массой, большей массы нуклонов, получившие название гиперонов (L,S⁺,S^-,S⁰,X⁰,X^-,W^-). Все барионы обладают сильным взаимодействием и, следовательно, активно взаимодействуют с атомными ядрами. Спин всех барионов равен ½, так что барионы являются фермионами. За исключением протона, все барионы нестабильны, При распаде бариона наряду с другими частицами обязательно образуется барион. Эта закономерность является одним из проявлений закона сохранения барионного заряда.

Кроме перечисленных выше частиц, обнаружено большое число сильно взаимодействующих короткоживущих частиц, которые получили название резонансов. Эти частицы представляют собой резонансные состояния, образованные двумя или большим числом элементарных частиц. Время жизни резонансов составляет всего 10^-23- 10^-22 с.

Из всей известной совокупности элементарных частиц абсолютно стабильны, как говорит нам современный эксперимент, только одиннадцать частиц: три нейтрино (_е, _μ, _τ), три антинейтрино (_е, _μ, _τ), фотон, электрон, позитрон, протон и антипротон. Остальные частицы нестабильны.

Дата добавления: 2014-01-11