Александр Садохин - Концепции современного естествознания

В целом элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. На основании некоторых из них ученые произвели их классификацию.

Одной из важных характеристик частиц является их масса. Масса элементарной частицы – это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно разделить на несколько групп:

• частицы, не имеющие массы покоя, – фотоны, движущиеся со скоростью света;

• лептоны (от «лептос» – легкий) – легкие частицы (их масса примерно в 207 раз больше массы электрона); к ним относятся электрон и нейтрино;

• мезоны (от «мезос» – средний, промежуточный) – средние частицы с массой от 1 до 1000 масс электрона; в эту группу входят восемь частиц, имеющих положительные, отрицательные и нейтральные заряды;

• барионы (от «барос» – тяжелый) – тяжелые частицы с массой более 1000 масс электрона; к ним относятся протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы.

Второй характеристикой элементарных частиц является электрический заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда – заряду электрона (–1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом – кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно.

Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип физического взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы. По данному показателю все их многообразие можно разделить на три группы:

• адроны (от «адрос» – крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии;

• лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;

• частицы – переносчики взаимодействий, непосредственно обеспечивающие взаимодействие: фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны – переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны – переносчики слабого взаимодействия (высказывается предположение о существовании гравитонов – частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие).

Четвертой основной характеристикой элементарных частиц является время их жизни: частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни – 10 –10–10 –24сек, т. е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10 –10сек. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называют резонансами. Время их жизни составляет от 10 –24до 10 –26сек.

Важнейшей характеристикой частиц является спин – собственный момент количества движения (импульса) частицы. В классической механике такая величина характеризует вращение тела (например, волчка). Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому ( 1/ 2, 3/ 2) числу Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым спином – бозонами.

Фермионы – не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/ 2. Известна частица, спин которой равен 3/ 2 – омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер закона: частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т. е. совокупность характеризующих частицу параметров, не одинаковы. Этот закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества «слиплись» бы и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Бозоны – кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, но в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служат фотоны, спин которых равен 1, и мезоны, спин которых равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 – гравитоны. Все они – переносчики физических взаимодействий.

В середине 1960-х гг. число открытых адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельный уровень деления материи. На основе этой гипотезы была создана теория кварков, согласно которой все элементарные частицы состоят из шести фундаментальных частиц – кварков. Авторами гипотезы кварков стали физики Калифорнийского университета М. Гелл-Манн и Д. Цвейг. Термин «кварк» они позаимствовали из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и кричали: «Три кварка для мистера Марка!» Слово «кварк» в переводе с немецкого означает «чепуха», но авторы теории понимали его как гипотетический материальный объект, существование которого еще не доказано наукой. Имея форму гипотезы, кварковая теория тем не менее позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Адроны состоят из более мелких частиц – кварков, которые представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков – их дробный электрический заряд. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами – парами и тройками. Соединение трех кварков образует барионы (среди которых всем известные протоны и нейтроны). Соединение кварка и анти-кварка – мезоны, соединение трех антикварков – антибарионы. Большинство образующихся частиц являются барионными и мезонными резонансами. При таком соединении дробные заряды суммируются до нуля или единицы.

Кварки различаются ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (аромат цветов, духов и т. п.), это его особая физическая характеристика. Существует шесть видов кварков, различающихся ароматом: u ( up — верхний), d ( down – нижний), s ( strange — странный), c ( charm — очарование), b ( beauty — прелесть), t ( top — высший). Их обозначают первыми буквами своих названий.