Элементарная частица
Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые на данный момент на практике невозможно расщепить на составные части[1].
Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы[2]. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы, в том числе частицы, составляющие ядро атома — протоны и нейтроны) имеют сложную внутреннюю структуру, но тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно по причине эффекта конфайнмента.
Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются по экспоненциальному закону с постоянной времени от приблизительно 880 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10−24 до 10−22 с для резонансов).
Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.
Все элементарные частицы подчиняются принципу тождественности (все элементарные частицы одного вида во Вселенной полностью одинаковы по всем своим свойствам) и принципу корпускулярно-волнового дуализма (каждой элементарной частице соответствует волна де-Бройля).
Все элементарные частицы обладают свойством взаимопревращаемости, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы и их совокупности, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда, барионного заряда и др.
Основные характеристики элементарных частиц: время жизни, масса, спин, электрический заряд, магнитный момент, барионный заряд, лептонный заряд, странность, очарование, прелесть, истинность, изотопический спин, чётность, зарядовая чётность, G-чётность, CP-чётность, T-чётность, R-чётность, P-чётность.
Классификация
По времени жизни
Все элементарные частицы делятся на два класса:
- Стабильные элементарные частицы — частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии (протон, электрон, нейтрино, фотон, гравитон и их античастицы).
- Нестабильные элементарные частицы — частицы, распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии за конечное время (все остальные частицы).
По массе
Все элементарные частицы делятся на два класса:
- Безмассовые частицы — частицы с нулевой массой (фотон, глюон).
- Частицы с ненулевой массой (все остальные частицы).
По величине спина
Все элементарные частицы делятся на два класса:
- бозоны — частицы с целым спином[3] (например, фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса);
- фермионы — частицы с полуцелым спином[3] (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино).
По видам взаимодействий
Элементарные частицы делятся на следующие группы:
Составные частицы
- Адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
Фундаментальные (бесструктурные) частицы
- Лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
- Кварки — дробно заряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
- Калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
- фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие;
- восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;
- три промежуточных векторных бозона W+, W− и Z0, переносящие слабое взаимодействие;
- гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.
Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.
Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, предсказанный в 1964 году и обнаруженный в 2012 году на Большом адронном коллайдере.
Размеры элементарных частиц
Несмотря на большое разнообразие элементарных частиц, их размеры укладываются в две группы. Размеры адронов (как барионов, так и мезонов) составляют около 10−15 м, что близко к среднему расстоянию между входящими в них кварками. Размеры фундаментальных, бесструктурных частиц — калибровочных бозонов, кварков и лептонов — в пределах погрешности эксперимента согласуются с их точечностью (верхний предел диаметра составляет около 10−18 м) (см. пояснение). Если в дальнейших экспериментах окончательные размеры этих частиц не будут обнаружены, то это может свидетельствовать о том, что размеры калибровочных бозонов, кварков и лептонов близки к фундаментальной длине (которая весьма вероятно[4] может оказаться планковской длиной, равной 1,6·10−35 м).
Следует отметить, однако, что размер элементарной частицы является достаточно сложной концепцией, не всегда согласующейся с классическими представлениями. Во-первых, принцип неопределённости не позволяет строго локализовать физическую частицу. Волновой пакет, представляющий частицу как суперпозицию точно локализованных квантовых состояний, всегда имеет конечные размеры и определённую пространственную структуру, причём размеры пакета могут быть вполне макроскопическими — например, электрон в эксперименте с интерференцией на двух щелях «чувствует» обе щели интерферометра, разнесённые на макроскопическое расстояние. Во-вторых, физическая частица меняет структуру вакуума вокруг себя, создавая «шубу» из кратковременно существующих виртуальных частиц — фермион-антифермионных пар (см. Поляризация вакуума) и бозонов-переносчиков взаимодействий. Пространственные размеры этой области зависят от калибровочных зарядов, которыми обладает частица, и от масс промежуточных бозонов (радиус оболочки из массивных виртуальных бозонов близок к их комптоновской длине волны, которая, в свою очередь, обратно пропорциональна их массе). Так, радиус электрона с точки зрения нейтрино (между ними возможно только слабое взаимодействие) примерно равен комптоновской длине волны W-бозонов, ~3×10−18 м, а размеры области сильного взаимодействия адрона определяются комптоновской длиной волны легчайшего из адронов, пи-мезона (~10−15 м), выступающего здесь как переносчик взаимодействия.
История
Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, то есть не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.
Таким образом, физики продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) применяется термин «фундаментальные частицы».
В активно разрабатываемой примерно с середины 1980-х теории струн предполагается, что элементарные частицы и их взаимодействия являются следствиями различных видов колебаний особо малых «струн».
Стандартная модель
Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса, отвечающий за наличие инертной массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью — например, такие, как гравитон (частица, гипотетически переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц. Всего модель описывает 61 частицу[5].
Фермионы
12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них — кварки. Другие шесть — лептоны, три из которых являются нейтрино, а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон, мюон и тау-лептон.
| Первое поколение | Второе поколение | Третье поколение |
|---|---|---|
| Электрон: e− | Мюон: μ− | Тау-лептон: τ− |
| Электронное нейтрино: νe | Мюонное нейтрино: νμ | Тау-нейтрино: [math]\displaystyle{ \nu_\tau }[/math] |
| u-кварк («верхний»): u | c-кварк («очарованный»): c | t-кварк («истинный»): t |
| d-кварк («нижний»): d | s-кварк («странный»): s | b-кварк («прелестный»): b |
Античастицы
Также существуют 12 фермионных античастиц, соответствующих вышеуказанным двенадцати частицам.
| Первое поколение | Второе поколение | Третье поколение |
|---|---|---|
| позитрон: e+ | Положительный мюон: μ+ | Положительный тау-лептон: τ+ |
| Электронное антинейтрино: [math]\displaystyle{ \bar{\nu}_e }[/math] | Мюоное антинейтрино: [math]\displaystyle{ \bar{\nu}_\mu }[/math] | Тау-антинейтрино: [math]\displaystyle{ \bar{\nu}_\tau }[/math] |
| u-антикварк: [math]\displaystyle{ \bar{u} }[/math] | c-антикварк: [math]\displaystyle{ \bar{c} }[/math] | t-антикварк: [math]\displaystyle{ \bar{t} }[/math] |
| d-антикварк: [math]\displaystyle{ \bar{d} }[/math] | s-антикварк: [math]\displaystyle{ \bar{s} }[/math] | b-антикварк: [math]\displaystyle{ \bar{b} }[/math] |
Кварки
Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии — это объясняется явлением конфайнмента. На основании симметрии между лептонами и кварками, проявляемой в электромагнитном взаимодействии, выдвигаются гипотезы о том, что эти частицы состоят из более фундаментальных частиц — преонов.
Неизвестные частицы
По мнению большинства физиков, существуют неизвестные доселе типы частиц, из которых состоит тёмная материя[6]
См. также
Примечания
- ↑
Ферми Э. Лекции по атомной физике // М: ИЛ, 1952. — С. 9.Что означает «элементарная частица»? Автор в затруднении ответить на этот вопрос; термин «элементарная частица» скорее относится к уровню наших знаний.
- ↑
Ферми Э. Лекции по атомной физике // М: ИЛ, 1952. — С. 9.Вообще можно сказать, что на каждом этапе развития науки мы называем элементарными те частицы, строения которых не знаем и которые рассматриваем как точечные.
- ↑ 3,0 3,1 Фундаментальные частицы и взаимодействия
- ↑ А. М. Прохоров. Физическая энциклопедия, статья «Фундаментальная длина» (электронная версия).
- ↑ Половинка от магнита // «Популярная механика» № 2, 2015 (Архив)
- ↑ Krauss, 2018, с. 386.
Литература
- Лоуренс Краусс. Почему мы существуем. Величайшая из когда-либо рассказанных историй = Krauss. The Greatest Story Ever Told - So Far: Why Are We Here?. — М.: Альпина Нон-фикшн, 2018. — ISBN 978-5-91671-948-2.
- Главный редактор А. М. Прохоров. Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.
Ссылки
- Хроника открытий в физике ядра и частиц, подготовленная сотрудниками физического факультета МГУ им М. В. Ломоносова
- Физика элементарных частиц на Scientific.ru
- Полная таблица элементарных частиц, подготовленная Particle Data Group (англ.)
- Физика элементарных частиц — в мире, в ИЯФ, на кафедре ФЭЧ
- Имена: поэзия элементарных частиц (англ.)
| Фундаментальные частицы |
| ||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Составные частицы |
| ||||||||||||
