Концепції сучасного природознавства - Карпов Я. С. - 3.6.2.1 Характеристики субатомних частинок

3.6.2.1 Характеристики субатомних частинок

Історично першими експериментально виявленими елементарними частинками були електрон, протон, а потім нейтрон. Здавалося, що цих частинок і фотона (кванта електромагнітного поля) достатньо для побудови відомих форм речовини — атомів і молекул. Такий підхід передбачав, що речовина складається з протонів, нейтронів та електронів, а фотони здійснюють взаємодію між ними. Однак незабаром з'ясувалося, що світ улаштований значно складніше. Було встановлено, що кожній частинці відповідає своя античастинка, яка відрізняється від неї лише знаком заряду. Для частинок з нульовими значеннями всіх зарядів античастинка збігається з частинкою (наприклад, фотон). У міру розвитку експериментальної ядерної фізики до цих частинок додалися ще понад 300 частинок.

Характеристиками субатомних частинок є маса, електричний заряд, спін, час існування частинки, магнітний момент, просторова парність, лептонний заряд, баріонний заряд та ін.

Коли йдеться про масу частинки, мають на увазі її масу спокою, оскільки вона не залежить від стану руху. Частинка, що має нульову масу спокою, рухається зі швидкістю світла (фотон). Не існує двох частинок з однаковими масами. Електрон — найлегша частинка з ненульовою масою спокою. Протон і нейтрон важчі за електрон майже в 2000 разів. А найважча з отриманих у прискорювачах елементарних частинок (Z-частинка) має масу в 200 000 разів більшу порівняно з масою електрона.

Електричний заряд змінюється в досить вузькому діапазоні й завжди кратний фундаментальній одиниці заряду - заряду електрона (-1). Деякі частинки (фотон, нейтрино) зовсім не мають заряду.

Важлива характеристика частинки — спін — власний момент імпульсу частинки. Так, протон, нейтрон та електрон мають спін 1/2, а спін фотона дорівнює 1. Відомі частинки зі спіном 0,3/2,2. Частинка зі спіном 0 при будь-якому куті повороту виглядає однаково. Частинка зі спіном 1 набуває попереднього вигляду після повного оберту на 360е. Частинка зі спіном 1/2 набуває колишнього вигляду після оберту на 720° і т.д. Частинка зі спіном 2 набуває попереднього положення через півоберту (180е). Частинок зі спіном більш як 2, можливо, узагалі не існує.

Залежно від спіну всі частинки поділяються на дві групи: бозони — частинки із цілими спінами 0,1 і 2; ферміони — частинки з напівцілими спінами (1/2,3/2).

Частинки характеризуються також тривалістю існування. За цією ознакою вони поділяються на стабільні й нестабільні. Стабільні частинки — це електрон, протон, фотон і нейтрино. Нейтрон стабільний, коли знаходиться в ядрі атома, але вільний нейтрон розпадається приблизно за 15 хвилин. Всі інші відомі частинки нестабільні; час їхнього існування коливається від декількох мікросекунд до 10 21 с.

Велику роль у фізиці елементарних частинок відіграють закони збереження, які встановлюють рівність між,певними комбінаціям]! величин, що характеризують початковий і кінцевий стани системи. Арсенал законів збереження у квантовій фізиці більший, ніж у класичній фізиці. Він поповнився законами збереження різних парностей (просторової, зарядової), зарядів (лептонного, баріонного й ін.), внутрішніх симетрій, властивих тому чи іншому типу взаємодій. При цьому виявилося, що чим інтенсивніша взаємодія, тим більше їй відповідає законів збереження, тобто тим більше вона симетрична. У квантовій фізиці закони збереження завжди є законами заборони. Але якщо закони збереження дозволяють якийсь процес, то він обов'язково відбувається реально.

Вершиною розвитку уявлень про закони збереження у квантовій фізиці є концепція спонтанного порушення симетрії, тобто існування стійких асиметричних розв'язків для деяких типів задач. У 60-х pp. експериментально було шдтверджеио так зване порушення комбінованої чіткості. Інакше кажучи, виявилося, що в мікросвіті існують абсолютні розходження між частинками й античастинками, між "правим" і "лівим", між минулим і майбутнім (стріла часу, чи необоротність мікропроцесів, а не тільки макропроцесів).

Виділення й пізнання характеристик окремих субатомних частинок — важливий, але тільки початковий етап пізнання їх світу. На наступному етапі потрібно ще зрозуміти, яка роль кожної окремої частинки, які її функції в структурі матерії.

Фізики з'ясували, що насамперед властивості частинки визначаються її здатністю (чи нездатністю) брати участь у сильній взаємодії. Частинки, які беруть участь у сильній взаємодії, утворюють особливий клас і називаються адронами. Частинки, які беруть участь у слабкій взаємодії і не беруть участі в сильній, називаються лептонами. Крім того, існують частинки — носії взаємодій.

Розглянемо властивості цих основних типів частинок.