7. 4. 1. Элементарны ли элементарные частицы
Элементарные частицы в точном значении этого слова – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В этом понятии в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира. Эта идея зародилась на ранних этапах становления естествознания и всегда играла важную роль в его развитии.
Понятие элементарных частиц сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микро уровне. Использование этого термина имеет исторические причины и связано с тем периодом, когда единственными известными их представителями были фотон, протон, электрон, нейтрон, мезон и нейтрино, которые считались действительно элементарными, так как служили основой для построения вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура протона и нейтрона еще не была известна. Все эти частицы были при деле. Из протонов и нейтронов построены ядра атомов. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не имеют электрического заряда, но по массе они примерно равны массе протона и вместе с ним определяют атомный вес. В ядре между протонами и нейтронами действуют силы притяжения, к которым определенное отношение имеет мезон. Нейтрино – нейтральная частица, не имеющая массы покоя, как и фотон, ни с чем не взаимодействующая. Она нужна только для того, чтобы при ядерных реакциях не нарушался закон сохранения энергии. Открытие новых частиц разрушило эту простую картину. Мир, оказалось, устроен гораздо сложнее и непонятнее: например, протоны и нейтроны имеют сложную структуру. Поэтому уже нельзя утверждать, что элементарные частицы в смысле приведенного выше определения в действительности существуют, и от такого определения элементарности пришлось отказаться.
В настоящее время термин”элементарные частицы” в современной физике употребляется для наименования большой группы частиц материи, которые не являются атомами или ядрами. Эта группа частиц достаточно обширна. Помимо упоминавшихся протонов(p), нейтронов(n) и электронов(e-), к ней относятся: фотоны(?), пи-мезоны(?), мюоны(µ), тяжелые лептоны(?), нейтрино трех типов – (электронное ?e, мюонно е?µ и ?-нейтрино), так называемые странные частицы (K-мезоны и гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым ”очарованием” (J/ª,ª? и другие),”очарованные” частицы и ипсилон частицы(¨) – всего более 350 частиц, абсолютное большинство из которых являются нестабильными.
Элементарных частиц оказалось так много, а свойства их настолько разнообразны, что их пришлось распределить по семействам, используя основные характеристики – массу, электрический заряд и спин.
Первую группу составила одна частица – фотон. Его масса и заряд равны нулю, спин равен 1.
Вторую группу образовали лептоны (от греческого “лептос” – мелкий, легкий), среди которых наиболее известными являются электрон, мюон, электронное и мюонное нейтрино. Они могут иметь электрический заряд, а могут и не иметь. Их спин равен 1/2. Обычно они принимают участие в слабых взаимодействиях, но могут участвовать и в сильных. Среди лептонов, по-видимому, наиболее удивительной частицей является нейтрино, которая не участвует ни в сильном, ни в электромагнитном взаимодействиях. Считается, что нейтрино наиболее распространены во Вселенной, но, тем не менее, изучать их очень сложно, так как они практически неуловимы.
Все остальные частицы принадлежат к третьему семейству, которое называют адроны (от греческого “хадрос“ – массивные). Все адроны участвуют в сильном (в том числе ядерном) взаимодействии. Они, в свою очередь, делятся на две подгруппы: мезоны (от греческого “mesos” – средний, промежуточный) и барионы (от греческого ”barys” – тяжелый). Мезоны со спином 0 образуют семейство, в состав которого входят: положительный и нейтральный пионы(?+, ?0), положительный и нейтральный каоны (K+,K0) и другие. К барионам относятся нуклоны (протон, нейтрон), гипероны с полуцелым спином и еще множество других частиц.
Иногда в особую группу выделяют частицы, которые переносят взаимодействия, но не являются строительным материалом вещества. Это, прежде всего, фотоны– переносчики электромагнитных взаимодействий. Переносчики сильного взаимодействия – глюоны, обеспечивающие взаимодействие между кварками– частицами, из которых состоят нуклоны. Переносчики слабого взаимодействия –W±, Z?-бозоны, открытые в 1983 г. Гипотетические частицы, ответственные за гравитационное взаимодействие, называются гравитонами.
Все элементарные частицы, за исключением фотона, протона, электрона и двух нейтрино, нестабильны. Это означает, что они самопроизвольно, без каких-либо воздействий извне, распадаются, превращаясь в другие частицы. Например, нейтрон распадается на протон, электрон и электронное нейтрино. Невозможно предсказать, когда именно произойдет этот распад; каждый акт распада происходит совершенно случайно.
Элементарные частицы — Дмитрий Казаков
