Фундаментальные частицы вещества в наше время. Простым языком об элементарных частицах, коллайдере и частице Бога

Фундаментальная подлость Судьба поступила со мной так, что я невольно прикоснулся к самым фундаментальным явлениям нашего общественного строя и смог посмотреть на них без всяких скрывающих их покровов и иллюзий. Как мне казалось тогда, я увидел, в чем заключалась самая

3. Фундаментальная напряженность

3. Фундаментальная напряженность В самой сущности христианства заложено то, что оно происходит от иудаизма I в. Иисус был евреем. Самые первые христиане были сплошь евреями. Христианство началось изнутри иудаизма, из мессианской секты в рамках иудаизма. Оно воспринимало

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ИСТИНА

ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ ИСТИНА В нашей притче Джалин является прообразом Иисуса Христа, а царь Отец? это Всемогущий Бог Отец. Дагон представляет!собой дьявола; жизнь в Энделе? это человеческая жизнь на земле; Аффабель представляет небесный город Бога. Отверженная земля Лон?

Еще сравнительно недавно элементарными считались несколько сот частиц и античастиц. Детальное изучение их свойств и взаимодействий с другими частицами и развитие теории показали, что большинство из них на самом деле не элементарны, так как сами состоят из простейших или, как сейчас говорят, фундаментальных частиц. Фундаментальные частицы сами уже ни из чего не состоят. Многочисленные эксперименты показали, что все фундаментальные частицы ведут себя как безразмерные точечные объекты, не имеющие внутренней структуры, по крайней мере до наименьших, изученных сейчас расстояний ~10 -16 см .

Среди бесчисленных и разнообразных процессов взаимодействия между частицами имеются четыре основных или фундаментальных взаимодействия: сильное (ядерное), электромагнитное , слабое и гравитационное . В мире частиц гравитационное взаимодействие очень слабое, его роль еще неясна, и о нем дальше мы говорить не будем.

В природе существуют две группы частиц: адроны , которые участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях, и лептоны , не участвующие только в сильном взаимодействии.

Согласно современным представлениям, взаимодействия между частицами осуществляются посредством испускания и последующего поглощения квантов соответствующего поля (сильного, слабого, электромагнитного), окружающего частицу. Такими квантами являются калибровочные бозоны , также являющиеся фундаментальными частицами. У бозонов собственный момент количества движения , называемый спином, равен целочисленному значению постоянной Планка . Квантами поля и соответственно переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны , обозначаемые символом g (джи), квантами электромагнитного поля являются хорошо известные нам кванты света - фотоны, обозначаемые (гамма), а квантами слабого поля и соответственно переносчиками слабых взаимодействий являются W ± (дубль ве)- и Z 0 (зет нуль)-бозоны.

В отличие от бозонов все остальные фундаментальные частицы являются фермионами, то есть частицами, имеющими полуцелое значение спина, равное h /2.

В табл. 1 приведены символы фундаментальных фермионов - лептонов и кварков.

Каждой частице, приведенной в табл. 1, соответствует античастица, отличающаяся от частицы лишь знаками электрического заряда и других квантовых чисел (см. табл. 2) и направлением спина относительно направления импульса частицы. Античастицы мы будем обозначать теми же символами, как и частицы, но с волнистой чертой над символом.

Частицы в табл. 1 обозначены греческими и латинскими буквами, а именно: буквой (ню) - три различных нейтрино, буквами е - электрон, (мю) - мюон, (тау) - таон, буквами u, c, t, d, s, b обозначены кварки ; их наименования и характеристики приведены в табл. 2.

Частицы в табл. 1 сгруппированы в три поколения I, II и III в соответствии со структурой современной теории . Наша Вселенная построена из частиц первого поколения - лептонов и кварков и калибровочных бозонов, но, как показывает современная наука о развитии Вселенной, на начальной стадии ее развития важную роль играли частицы всех трех поколений.

Лептоны

Сначала рассмотрим более подробно свойства лептонов. В верхней строке табл. 1 содержатся три разных нейтрино: электронное , мюонное и тау-нейтрино . Их масса до сих пор точно не измерена, но определен ее верхний предел, например для ne равный 10 -5 от величины массы электрона (то есть г).

При взгляде на табл. 1 невольно возникает вопрос о том, зачем природе потребовалось создание трех разных нейтрино. Ответа на этот вопрос пока нет, ибо не создана такая всеобъемлющая теория фундаментальных частиц, которая бы указала на необходимость и достаточность всех таких частиц и описала бы их основные свойства. Возможно, эта проблема будет решена в XXI веке (или позже).

Нижняя строка табл. 1 начинается с наиболее изученной нами частицы - электрона. Электрон был открыт еще в конце прошлого века английским физиком Дж. Томсоном . Роль электронов в нашем мире огромна. Они являются теми отрицательно заряженными частицами, которые вместе с атомными ядрами образуют все атомы известных нам элементов Периодической таблицы Менделеева . В каждом атоме число электронов в точности равно числу протонов в атомном ядре, что и делает атом электрически нейтральным.

Электрон стабилен, главной возможностью уничтожения электрона является его гибель при соударении с античастицей - позитроном e + . Этот процесс получил название аннигиляции :

В результате аннигиляции образуются два гамма-кванта (так называют фотоны высокой энергии), уносящие и энергии покоя e + и e - , и их кинетические энергии. При высокой энергии e + и e - образуются адроны и кварковые пары (см., например, (5) и рис. 4).

Реакция (1) наглядно иллюстрирует справедливость знаменитой формулы А. Эйнштейна об эквивалентности массы и энергии: E = mc 2 .

Действительно, при аннигиляции остановившегося в веществе позитрона и покоящегося электрона вся масса их покоя (равная 1,22 МэВ ) переходит в энергию -квантов, которые не имеют массы покоя.

Во втором поколении нижней строки табл. 1 расположен мюон - частица, являющаяся по всем своим свойствам аналогом электрона, но с аномально большой массой. Масса мюона в 207 раз больше массы электрона. В отличие от электрона мюон нестабилен. Время его жизни t = 2,2 · 10 -6 с. Мюон преимущественно распадается на электрон и два нейтрино по схеме

Еще более тяжелым аналогом электрона является . Его масса более чем в 3 тыс. раз превосходит массу электрона ( МэВ/с 2), то есть таон тяжелее протона и нейтрона. Время его жизни равно 2,9 · 10 -13 с, а из более чем ста разных схем (каналов) его распада возможны следующие.

Интересная статья

Недавно физикам, наблюдавшим за очередным экспериментом, проходившем в Большом адронном коллайдере, наконец-то удалось найти следы бозона Хиггса, или, как его называют многие журналисты, "божественной частицы". Это значит, что постройка коллайдера себя полностью оправдала - ведь его сделали именно для того, чтобы поймать этот неуловимый бозон.

Физики, работающие на Большом адронном коллайдере с помощью детектора CMS впервые зафиксировали рождение двух Z-бозонов - один из типов событий, которые могут быть свидетельством существования "тяжелого" варианта бозона Хиггса. Если быть совсем точным, то 10 октября детектор CMS впервые обнаружил появление четырех мюонов. Предварительные результаты реконструкции позволили ученым интерпретировать это событие как кандидата в рождение двух нейтральных калибровочных Z-бозонов.

Думаю, сейчас нам следует немножко отвлечься и поговорить о том, что такое эти мюоны, бозоны и прочие элементарные частицы. Согласно стандартной модели квантовой механики весь мир состоит из различных элементарных частиц, которые, контактируя друг с другом, порождают все известные типы массы и энергии.

Все вещество, например, состоит из 12 фундаментальных частиц-фермионов: 6 лептонов, таких как электрон, мюон, тау-лептон, и три сорта нейтрино и 6 кварков (u, d, s, c, b, t), которые можно объединить в три поколения фермионов. Фермионы - это частицы, которые могут находиться в свободном состоянии, а кварки - нет, они входят в состав других частиц, например хорошо известных всем протонов и нейтронов.
При этом каждая из частиц участвует в определенном типе взаимодействий, которых, как мы помним, всего четыре: электромагнитное, слабое (взаимодействие частиц при β-распаде ядра атомов), сильное (оно как бы скрепляет атомное ядро) и гравитационное. Последнее, результатом которого является, например, земное притяжение, стандартной моделью не рассматривается, поскольку гравитон (частица, обеспечивающая его) до сих пор не найден.

С остальными типами все проще - частицы, которые в них участвуют, физики знают "в лицо". Так, например, кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны (электрон, мюон, тау-лептон) - в слабых и электромагнитных; нейтрино - только в слабых взаимодействиях.

Однако кроме этих "массовых" частиц есть еще и так называемые виртуальные частицы, некоторые из которых (например, фотон) вообще не обладают массой. Честно говоря, виртуальные частицы - это в большей степени математическое явление, чем физическая реальность, поскольку их до сих пор никто никогда не "видел". Однако в разных экспериментах физики могут заметить следы их существования, поскольку оно, увы, весьма недолговечно.

Что же это за такие интересные частички? Они рождаются только в момент какого-нибудь взаимодействия (из описанных выше), после чего либо распадаются, либо поглощаются какой-нибудь из фундаментальных частиц. Считается, что они как бы "переносят" взаимодействие, то есть, контактируя с фундаментальными частицами, изменяют их характеристики, благодаря чему взаимодействие, собственно говоря, и происходит.

Так, например, при электромагнитных взаимодействиях, которые изучены лучше всего, электроны постоянно поглощают и испускают виртуальные безмассовые частицы фотоны, в результате чего свойства самих электронов несколько изменяются и они становятся способными на такие подвиги, как, например, направленное движение (то есть электрический ток), или "перескок" на другой энергетический уровень (как это происходит при фотосинтезе у растений). Так же виртуальные частицы работают и при других типах взаимодействий.

Современной физике кроме фотона известны также еще два типа виртуальных частиц, получивших название бозонов и глюонов. Для нас сейчас особенно интересны бозоны - считается, что при всех взаимодействиях фундаментальные частицы постоянно обмениваются ими и тем самым оказывают воздействие друг на друга. Сами бозоны при этом считаются безмассовыми частицами, хотя некоторые эксперименты показывают, что это не совсем так - W- и Z-бозоны могут получать массу на короткое время.

Одним из самых таинственных бозонов является тот самый бозон Хиггса, для обнаружения следов которого, собственно говоря, и был построен Большой адронный коллайдер. Считается, что эта загадочная частица является одной из самых распространенных и важных бозонов во Вселенной.

Еще в 1960-е годы английский профессор Питер Хиггс предложил гипотезу, согласно которой все вещество, имеющееся во Вселенной, создано при взаимодействии различных частиц с некоей исходной первоосновой (получившейся в результате Большого взрыва), которую позже назвали в честь него. Он выдвинул предположение, что Вселенная пронизана незримым полем, проходя сквозь которое некоторые элементарные частицы "обрастают" некоторыми бозонами, обретая тем самым массу, другие же, например фотоны, остаются не обремененными весом.

Ученые сейчас рассматривают две возможности - существование "легкого" и "тяжелого" вариантов. "Легкий" Хиггс с массой от 135 до 200 гигаэлектронвольт должен распадается на пары W-бозонов, а если масса бозона составляет 200 гигаэлектронвольт или больше, то на пары Z-бозонов, которые, в свою очередь, порождают пары электронов или мюонов.

Получается, что таинственный бозон Хиггса является как бы "творцом" всего во Вселенной. Может быть, именно поэтому нобелевский лауреат Леон Ледерман как-то раз назвал его "частицей-богом". Но в средствах массовой информации это высказывание несколько исказили, и оно стало звучать как "частица Бога" или "божественная частица".

Как же можно получить следы присутствия "частицы-бога"? Считается, что бозон Хиггса может образовываться в ходе столкновений протонов с нейтрино в ускорительном кольце коллайдера. При этом, как мы помним, он должен сразу же распадаться на ряд других частиц (в частности, Z-бозонов), которые могут быть зарегистрированы.

Правда, сами Z-бозоны детекторы зафиксировать не могут из-за чрезвычайно короткого времени жизни этих элементарных частиц (около 3×10-25 секунды), однако они могут "поймать" мюоны, в которые превращаются Z-бозоны.

Напомню, что мюон - неустойчивая элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом и спином ½. В обычных атомах он не встречается, до этого его находили лишь в космических лучах, имеющих скорости, близкие к скорости света. Время жизни мюона весьма невелико - он существует лишь 2,2 микросекунды, а потом распадается на электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино.

Искусственным способом мюоны можно получить, столкнув на больших скоростях протон и нейтрино. Однако долгое время не удавалось добиться подобных скоростей. Это удалось сделать лишь при постройке Большого адронного коллайдера.

И вот наконец первые результаты были получены. При эксперименте, который прошел 10 октября нынешнего года, в результате столкновения протона с нейтрино было зафиксировано рождение четырех мюонов. Это доказывает то, что появление двух нейтральных калибровочных Z-бозонов имело место быть (они всегда проявляются при подобных событиях). А значит, существование бозона Хиггса - это не миф, а реальность.

Правда, ученые отмечают, что само по себе это событие не обязательно указывает на рождение бозона Хиггса, поскольку к появлению четырех мюонов могут вести и другие события. Однако это первое из событий такого типа, которые в конце концов могут выдать хиггсовскую частицу. Чтобы с уверенностью говорить о существовании бозона Хиггса в том или ином диапазоне масс, необходимо накопить значительное число подобных событий и проанализировать, как распределены массы рождающихся частиц.

Однако, что ни говори, первый шаг к доказательству существования "частицы-бога" уже сделан. Возможно, дальнейшие эксперименты смогут дать еще больше информации о загадочном бозоне Хиггса. Если ученые смогут наконец-то "поймать" его, то у них получится воссоздать условия, существовавшие 13 миллиардов лет назад после Большого взрыва, то есть те, при которых зарождалась наша Вселенная.

См. также

Напишите отзыв о статье "Фундаментальная частица"

Примечания

Ссылки

• С. А. Славатинский // Московский физико-технический институт (Долгопрудный , Московской обл.)
• Славатинский С.А. // СОЖ, 2001, No 2, с. 62–68 архив http://web.archive.org/web/20060116134302/http://journal.issep.rssi.ru/annot.php?id=S1176
• // nuclphys.sinp.msu.ru
• // second-physics.ru
• // physics.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru
• // nature.web.ru

Единицы измерения физических величин при описании явлений, происходящих в микромире, подразделяются на основные и производные, которые определяются через математическую запись законов физики.
В связи с тем, что все физические явления происходят в пространстве и времени, за основные единицы принимают в первую очередь единицы длины и времени, к ним присоединяется единица массы. Основные единицы: длины l , времени t, массы m − получают определенную размерность. Размерности производных единиц определяются формулами, выражающими определенные физические законы.
Размеры основных физических единиц подбирают так, чтобы на практике было удобно ими пользоваться.
В системе СИ приняты следующие размерности: длины [l ] = м (метр), времени [t] = с (секунда), массы [т] = кг (килограмм).
В системе СГС для основных единиц приняты следующие размерности: длины [/] = см (сантиметр), времени [t] = с (секунда) и массы [т] = г (грамм). Для описания явлений, происходящих в микромире, можно использовать обе системы единиц СИ и СГС.
Оценим порядки величин длины, времени и массы в явлениях микромира.
Кроме общепринятых международных систем единиц СИ и СГС используются также "естественные системы единиц", опирающиеся на универсальные физические константы. Эти системы единиц особенно уместны и используются в различных физических теориях. В естественной системе единиц за основные единицы приняты фундаментальные постоянные: скорость света в вакууме − с, постоянная Планка − ћ, гравитационная постоянная G N , постоянная Больцмана − k: число Авогадро − N A , и др. В естественной системе единиц Планка принято с = ћ = G N = k = 1. Этой системой единиц пользуются в космологии для описания процессов, в которых одновременно существенны квантовые и гравитационные эффекты (теории Черных дыр, теории ранней Вселенной).
В естественной системе единиц решена проблема естественной единицы длины. Таковой можно считать комптоновскую длину волны λ 0 , которая определяется массой частицы М: λ 0 = ћ/Мс.
Длина характеризует размер объекта. Так, для электрона классический радиус r 0 = e 2 /m e c 2 = 2.81794·10 -13 см (е, m е − заряд и масса электрона). Классический радиус электрона имеет смысл радиуса заряженного шара с зарядом е (распределение сферически симметрично), при котором энергия электростатического поля шара ε = γе 2 /r 0 равна энергии покоя электрона m e c 2 (используется при рассмотрении томпсоновского рассеяния света).
Используется также радиус боровской орбиты. Он определяется как расстояние от ядра, на котором с наибольшей вероятностью можно обнаружить электрон в невозбужденном атоме водорода
a 0 = ћ 2 /m e e 2 (в СГС-системе) и a 0 = (α/4π)R = 0.529·10 -10 м (в СИ-системе), α = 1/137.
Размер нуклона r ≈ 10 -13 см (1 фемтометр). Характерные размеры атомных систем − 10 -8 , ядерных систем − 10 -12 ÷ 10 -13 см.
Время изменяется в широком интервале и определяется как отношение расстояния R к скорости объекта v. Для микрообъектов τ яд = R/v = 5·10 -12 см/10 9 см/с ~ 5·10 -22 с;
τ элем ч = 10 -13 см/3·10 10 см/с = 3·10 -24 с.
Массы объектов изменяются от 0 до М. Так, масса электрона m е ≈ 10 -27 г, масса протона
m р ≈ 10 -24 г (СГС-система). Одна атомная единица массы, использующаяся в атомной и ядерной физике, 1 а.е.м. = М(С)/12 в единицах массы атома углерода.
К фундаментальным характеристикам микрообъектов следует отнести электрический заряд, а также характеристики, необходимые для идентификации элементарной частицы.
Электрический заряд частиц Q измеряется обычно в единицах заряда электрона. Заряд электрона е = 1.6·10 -19 кулон. Для частиц в свободном состоянии Q/e = ±1, 0, а для кварков, входящих в состав адронов, Q/e = ±2/3 и ±1/3.
В ядрах заряд определяется количеством протонов Z, содержащихся в ядре. Заряд протона по абсолютной величине равен заряду электрона.
Для идентификации элементарной частицы необходимо знать:
I − изотопический спин;
J − собственный момент количества движения − спин;
Р − пространственную четность;
С − зарядовую четность;
G − G-четность.
Эти сведения записываются в виде формулы I G (J PC).
Спин − одна из важнейших характеристик частицы, для измерения которой используется фундаментальная константа Планка h или ћ = h/2π = 1.0544·10 -27 [эрг-с]. Бозоны имеют целый спин в единицах ћ: (0,1, 2,...)ћ, фермионы − полуцелый (1/2, 3/2,.. .)ћ. В классе суперсимметричных частиц значения спинов фермионов и бозонов меняются местами.

Рис. 4 иллюстрирует физический смысл спина J по аналогии с классическим представлением о моменте количества движения частицы с массой m = 1 г, движущейся со скоростью v = 1 см/с по окружности с радиусом r = 1 см. В классической физике момент количества движения J = mvr = L (L − орбитальный момент). В квантовой механике J = = 10 27 ћ = 1 эрг·с для тех же параметров движущегося по окружности объекта, где ћ = 1.05·10 -27 эрг·с.
Проекция спина элементарной частицы на направление ее импульса называется спиральностью. Спиральность безмассовой частицы с произвольным спином принимает только два значения: по или против направления импульса частицы. Для фотона возможные значения спиральности равны ±1, для безмассового нейтрино спиральность равна ±1/2.
Спиновый момент количества движения атомного ядра определяется как векторная сумма спинов элементарных частиц, образующих квантовую систему, и орбитальных моментов этих частиц, обусловленных их движением внутри системы. Орбитальный момент ||, и спиновый момент || приобретают дискретное значение. Орбитальный момент || = ћ[l (l +1)] 1/2 , где l − орбитальное квантовое число (может принимать значения 0, 1,2,...), собственный момент количества движения || = ћ 1/2 где s − спиновое квантовое число (может принимать нулевые, целые или полуцелые значенияJ, полный момент количества движения равен сумме + = .
К производным единицам следует отнести: энергию частицы, быстроту, заменяющую скорость для релятивистских частиц, магнитный момент и др.
Энергия покоящейся частицы: Е = mc 2 ; движущейся частицы: Е = m 2 c 4 + p 2 c 2 .
Для нерелятивистских частиц: Е = mс 2 + р 2 /2m; для релятивистских частиц, с массой m = 0: Е = ср.
Единицы измерения энергии − эВ, кэВ, МэВ, ГэВ, ТэВ, ... 1 ГэВ = 10 9 эВ, 1 ТэВ = 10 12 эВ,
1 эВ = 1.6·10 -12 эрг.
Скорость частицы β = v/c, где с = 3·10 10 см/с − скорость света. Скорость частицы определяет такую важнейшую характеристику как Лоренц-фактор частицы γ = 1/(1-β 2) 1/2 = E/mc 2 . Всегда γ > 1- Для нерелятивистских частиц 1 < γ < 2, а для релятивистских частиц γ > 2.
В физике высоких энергий скорость частицы β близка к 1 и для релятивистских частиц ее трудно определить. Поэтому вместо скорости используется быстрота y, которая связана со скоростью соотношением у = (1/2)ln[(1+β)/(1-β)] = (1/2)ln[(E+p)/(E-p)]. Быстрота изменяется от 0 до ∞.

Функциональная связь между скоростью частицы и быстротой показана на рис. 5. Для релятивистских частиц при β → 1, Е → р, тогда вместо быстроты можно использовать псевдобыстроту η, которая определяется углом вылета частицы θ, η = (1/2)ln tan(θ/2). В отличие от скорости быстрота − аддитивная величина, т.е. у 2 = y 0 + y 1 для любой системы отсчета и для любых релятивистских и нерелятивистских частиц.
Магнитный момент μ = Iπr 2 /c, где ток I = ev/2πr, возникает из-за вращения электрического заряда. Таким образом, любая заряженная частица имеет магнитный момент. При рассмотрении магнитного момента электрона используется магнетон Бора
μ B = eћ/2m e c = 0.5788·10 -14 МэВ/Гс, магнитный момент электрона = g·μ B ·. Коэффициент g называется гиромагнитным отношением. Для электрона g = /μ B · = 2, т.к. J = ћ/2, = μ B при условии, что электрон − точечная бесструктурная частица. Гиромагнитное отношение g содержит информацию о структуре частицы. Величина (g − 2) измеряется в экспериментах, направленных на изучение структуры частиц, отличных от лептонов. Для лептонов эта величина свидетельствует о роли более высоких электромагнитных поправок (см. далее п. 7.1).
В ядерной физике используется ядерный магнетон μ я = eћ/2m p c, где m p − масса протона.

2.1.1. Система Хэвисайда и ее связь с системой СГС

• m(г) = m(МэВ)·2·10 -27 ,
• l (см) = l (МэВ -1)·2·10 -11 ,
• t (с) = t (МэВ -1)·б.б·10 -22 .

Система Хэвисайда применяется в физике высоких энергий для описания явлений, происходящих в микромире, и основана на использовании естественных констант с и ћ, которые являются определяющими в релятивистской и квантовой механике.
Числовые значения соответствующих величин в системе СГС для электрона и протона приводятся в табл. 3 и могут быть использованы для перехода из одной системы в другую.

Таблица 3. Числовые значения величин в системе СГС для электрона и протона

2.1.2. Планковские (естественные) единицы

При рассмотрении гравитационных эффектов для измерения энергии, массы, длины и времени вводится планковская шкала. Если гравитационная энергия объекта равна его полной энергии, т.е.

то
длина = 1.6·10 -33 см,
масса = 2.2 ·10 -5 г = 1.2·10 19 ГэВ,
время = 5.4·10 -44 с,
где = 6.67·10 -8 см 2 ·г -1 ·с -2 .

Гравитационные эффекты существенны, когда гравитационная энергия объекта сравнима с его полной энергией.

2.2. Классификация элементарных частиц

Понятие "элементарная частица" сформировалось с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне.

Атомы → ядра → нуклоны → партоны (кварки и глюоны)

В современной физике термин "элементарные частицы" употребляется для наименования большой группы мельчайших наблюдаемых частиц материи. Эта группа частиц весьма обширна: протоны р, нейтроны n, π- и K-мезоны, гипероны, очарованные частицы (J/ψ...) и множество резонансов (всего
~ 350 частиц). Эти частицы получили название "адроны".
Выяснилось, что эти частицы не элементарны, а представляют собой составные системы, конституентами которых являются истинно элементарные или, как их стали называть, "фундаментальные " частицы − партоны , открытые при изучении структуры протона. Изучение свойств партонов позволило отождествить их с кварками и глюонами , введенными в рассмотрение Гелл-Манном и Цвейгом при классификации наблюдаемых элементарных частиц. Кварки оказались фермионами со спином J = 1/2. Им были приписаны дробные электрические заряды и барионное число В = 1/3 поскольку барион, у которого В = 1, состоит из трех кварков. Кроме того, для объяснения свойств некоторых барионов возникла необходимость введения нового квантового числа − цвета. Каждый кварк имеет три цветовых состояния, обозначаемые индексами 1, 2, 3 или словами красный (R), зеленый (G) и синий (В). Цвет никак не проявляет себя у наблюдаемых адронов и работает только внутри них.
К настоящему времени открыто 6 ароматов (типов) кварков.
В табл. 4 приведены свойства кварков для одного цветового состояния.

Таблица 4. Свойства кварков

Для каждого аромата кварка указаны его масса (приводятся массы конституентных кварков и в скобках массы токовых кварков), изотопический спин I и 3-я проекция изотопического спина I 3 , заряд кварка Q q /e и квантовые числа s, с, b, t. Наряду с этими квантовыми числами часто используется квантовое число гиперзаряд Y = В + s + с + b+ t. Существует связь между проекцией изотопического спина I 3 , электрического заряда Q и гиперзаряда Y: Q = I 3 + (1/2)Y.
Поскольку каждый кварк имеет 3 цвета, в рассмотрении должны участвовать 18 кварков. Кварки не имеют структуры.
Вместе с тем, среди элементарных частиц оказался целый класс частиц, получивших название "лептоны ". Они также являются фундаментальными частицами, т.е. не имеют структуры. Их шесть: три заряженных е, μ, τ и три нейтральных ν e , ν μ , ν τ . Лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны и кварки с полуцелым спином J = (n+1/2)ћ, n = 0, 1,... . относятся к фундаментальным фермионам. Наблюдается удивительная симметрия между лептонами и кварками: шесть лептонов и шесть кварков.
В табл. 5 приведены свойства фундаментальных фермионов: электрический заряд Q i в единицах заряда электрона и масса частиц m. Лептоны и кварки объединяются в три поколения (I, II и III). Для каждого поколения сумма электрических зарядов ∑Q i = 0 с учетом 3 цветовых зарядов у каждого кварка. Каждому фермиону сответствует антифермион.
Кроме характеристик частиц, указанных в таблице, важную роль для лептонов играют лептонные числа: электронное L e , равное +1 для е - и ν e , мюонное L μ , равное +1 для μ - и ν μ и таонное L τ , равное +1 для τ - и ν τ , которые соответствуют ароматам лептонов, участвующих в конкретных реакциях, и являются сохраняющимися величинами. Для лептонов барионное число В = 0.

Таблица 5. Свойства фундаментальных фермионов

Окружающее нас вещество состоит из фермионов первого поколения ненулевой массы. Влияние частиц второго и третьего поколений проявилось в ранней Вселенной. Среди фундаментальных частиц особую роль играют фундаментальные калибровочные бозоны, имеющие целочисленное внутреннее квантовое число спин J = nћ, n = 0, 1, .... Калибровочные бозоны ответственны за четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное (глюон g), электромагнитное (фотон γ), слабое (бозоны W ± , Z 0), гравитационное (гравитон G). Они также являются бесструктурными, фундаментальными частицами.
В табл. 6 приведены свойства фундаментальных бозонов, являющихся полевыми квантами в калибровочных теориях.

Таблица 6. Свойства фундаментальных бозонов

Помимо свойств открытых калибровочных бозонов γ, W ± , Z 0 , g 1 ,... , g 8 в таблице показаны свойства неоткрытых пока бозонов: гравитона G и Хиггс-бозонов Н 0 , H ± .
Рассмотрим теперь наиболее многочисленную группу элементарных сильновзаимодействующих частиц − адронов, для объяснения структуры которых было введено представление о кварках.
Адроны подразделяются на мезоны и барионы. Мезоны построены из кварка и антикварка (q). Барионы состоят из трех кварков (q 1 q 2 q 3).
В табл. 7 приводится перечень свойств основных адронов. (Подробные таблицы см. The European Physical Journal C, Rev. of Particle Phys., v.15, №1 - 4, 2000.)

Таблица 7. Свойства адронов

Кварковая структура адронов позволяет выделить в этой многочисленной группе частиц нестранные адроны, которые состоят из нестранных кварков (и, d), странные адроны, в состав которых входит странный кварк s, чармированные адроны, содержащие с-кварк, прелестные адроны (боттом-адроны) с b-кварком.
В таблице представлены свойства только незначительной части адронов: мезонов и барионов. Показаны их масса, время жизни, основные моды распада и кварковый состав. Для мезонов барионное число В = О и лептонное число L = 0. Для барионов барионное число В = 1, лептон-ное число L = 0. Мезоны относятся к бозонам (целый спин), барионы − к фермионам (спин полуцелый).
Дальнейшее рассмотрение свойств адронов позволяет объединить их в изотопические мультиплеты, состоящие из частиц с одинаковыми квантовыми числами (барионным числом, спином, внутренней четностью, странностью) и близкими по значению массами, но с различными электрическими зарядами. Каждый изотопический мультиплет характеризуется изотопическим спином I, который определяет полное число частиц, входящих в мультиплет, равное 2I + 1. Изоспин может принимать значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2, . .., т.е. возможно существование изотопических синглетов, дублетов, триплетов, квартетов и т.д. Так, протон и нейтрон составляют изотопический дублет, π + -, π - -, π 0 -мезоны рассматриваются как изотопический триплет.
Более сложными объектами в микромире являются атомные ядра. Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Сумма Z + N = А − число нуклонов в данном изотопе. Часто в таблицах приводится усредненная по всем изотопам величина, тогда она становится дробной. Известны ядра, для которых указанные величины находятся в пределах: 1 < А < 289, 1 < Z < 116.
Перечисленные выше частицы рассматриваются в рамках Стандартной Модели. Предполагается, что за пределами Стандартной Модели может существовать еще одна группа фундаментальных частиц − суперсимметричные частицы (SUSY). Они должны обеспечить симметрию между фермионами и бозонами. В табл. 8 приводятся предполагаемые свойства этой симметрии.

2.3. Полевой подход к проблеме взаимодействий

2.3.1 Свойства фундаментальных взаимодействий

Огромное многообразие физических явлений, происходящих при столкновениях элементарных частиц, определяется всего лишь четырьмя типами взаимодействий: электромагнитным, слабым, сильным и гравитационным. В квантовой теории взаимодействие описывается в терминах обмена специфическими квантами (бозонами), ассоциированными с данным типом взаимодействия.
Для наглядного представления взаимодействия частиц американский физик Р. Фейнман предложил использовать диаграммы, которые получили его имя. Диаграммы Фейнмана описывают любой процесс взаимодействия при столкновении двух частиц. Каждая частица, участвующая в процессе, на диаграмме Фейнмана изображается линией. Свободный левый или правый конец линии обозначает нахождение частицы в начальном или конечном состоянии соответственно. Внутренние линии на диаграммах (т.е. линии, не имеющие свободных концов) соответствуют так называемым виртуальным частицам. Это частицы, рождающиеся и поглощающиеся в процессе взаимодействия. Их нельзя зарегистрировать, в отличие от реальных частиц. Взаимодействие частиц на диаграмме изображается узлами (или вершинами). Тип взаимодействия характеризуется константой связи α которая может быть записана в виде: α = g 2 /ћc, где g − заряд источника взаимодействия, а является основной количественнои характеристикой силы, действующей между частицами. В электромагнитном взаимодействии α е = e 2 /ћc = 1/137.

Рис.6. Диаграмма Фейнмана.

Процесс a + b →с + d в виде диаграммы Фейнмана (рис. 6) выглядит следующим образом: R − виртуальная частица, которой обмениваются частицы а и b при взаимодействии, определяемом константой взаимодействия α = g 2 /ћc, характеризующей силу взаимодействия на расстоянии, равном радиусу взаимодействия.
Виртуальная частица может иметь массу М х и при обмене этой частицей происходит передача 4-импульса t = −q 2 = Q 2 .
В табл. 9 представлены характеристики разных типов взаимодействий.

Электромагнитные взаимодействия . Наиболее полно и последовательно изучены электромагнитные взаимодействия, которым подвержены все заряженные частицы и фотоны. Переносчиком взаимодействия является фотон. Для электромагнитных сил константа взаимодействия численно равна постоянной тонкой структуры α е = e 2 /ћc = 1/137.
Примерами простейших электромагнитных процессов являются фотоэффект, комптон-эффект, образование электрон-позитронных пар, а для заряженных частиц − ионизационное рассеяние и тормозное излучение. Теория этих взаимодействий − квантовая электродинамика − является наиболее точной физической теорией.

Слабые взаимодействия. Впервые слабые взаимодействия наблюдались при β-распаде атомных ядер. И, как оказалось, эти распады связаны с превращениями протона в нейтрон в ядре и обратно:
р → n + е + + ν e , n → р + е - + e . Возможны и обратные реакции: захват электрона е - + р → n + ν e или антинейтрино e + р → е + + n. Слабое взаимодействие было описано Энрико Ферми в 1934 г. в терминах четырехфермионного контактного взаимодействия, определяемого константой Ферми
G F = 1.4·10 -49 эрг·см 3 .
При очень высоких энергиях вместо фермиевского контактного взаимодействия слабое взаимодействие описывается как обменное, при котором осуществляется обмен квантом, наделенным слабым зарядом g w (по аналогии с электрическим зарядом) и действующим между фермионами. Такие кванты были впервые обнаружены в 1983 г. на SppS-коллайдере (ЦЕРН) коллективом под руководством Карла Руббиа. Это заряженные бозоны − W ± и нейтральный бозон − Z 0 , их массы соответственно равны: m W± = 80 ГэВ/с 2 и m Z = 90 ГэВ/с 2 . Константа взаимодействия α W в этом случае выражается через константу Ферми:

Таблица 9. Основные типы взаимодействий и их характеристики