2. Классификация элементарных частиц

Определения и обозначения

Элементарная частица — частица, которую в рамках рассматриваемой теории не считают состоящей из более простых частиц. Это определение зависит от теории: при появлении новых знаний представление о строении объектов может уточняться. Оно помогает отделить фундаментальные частицы от составных и описывать их свойства без перечисления внутренних частей.

Лептоны — элементарные частицы, не участвующие в сильном взаимодействии. К ним относятся, например, электрон и нейтрино. Принадлежность к лептонам указывает на то, что сильное взаимодействие не объясняет поведение такой частицы; для её описания рассматривают другие взаимодействия, в которых она участвует.

Адроны — частицы, участвующие в сильном взаимодействии; их делят на мезоны и барионы. К адронам относятся, например, протон и нейтрон. Это понятие объединяет частицы, на которые действует сильное взаимодействие, и позволяет затем разделить их по составу на более точные группы.

Античастица — частица, имеющая ту же массу, что и соответствующая частица, но противоположные значения некоторых характеристик, например электрического заряда. Так можно описывать пары вроде электрона и позитрона. Понятие нужно, чтобы учитывать частицы и их партнёров в реакциях, не смешивая одинаковую массу с одинаковыми свойствами.

Как это устроено

Частиц очень много, и разбирать каждую отдельно неудобно. Поэтому их объединяют по общим свойствам и по тому, как они взаимодействуют с другими частицами. Такая классификация помогает предсказывать поведение частицы и понимать, какие процессы могут с ней происходить. Она не сводится к одному признаку: учитывают, в частности, взаимодействия и внутренний состав.

Одно из основных делений — на лептоны и адроны. Главное различие состоит в участии в сильном взаимодействии: адроны его испытывают, а лептоны — нет. Это различие связано с устройством частиц: адроны составные и построены из кварков, а лептоны к кваркам не относятся. Поэтому знание группы сразу подсказывает, нужно ли учитывать сильное взаимодействие при описании частицы.

Адроны подразделяются на мезоны и барионы по кварковому составу. Мезон образован кварком и антикварком, то есть парой частиц с соответствующими свойствами. Барион состоит из трёх кварков. В обоих случаях частица относится к адронам, потому что её кварковая структура связана с сильным взаимодействием; состав позволяет отличить один вид адрона от другого.

Фотон занимает особое место в этой схеме. Это квант электромагнитного поля: его можно понимать как частицу, переносящую электромагнитное взаимодействие. Фотон не состоит из кварков, поэтому его нельзя отнести к адронам, а к лептонам он также не относится. Следовательно, деление на лептоны и адроны не охватывает все частицы.

У многих частиц есть соответствующие античастицы. У них одинаковая масса, но некоторые характеристики противоположны: у электрона электрический заряд отрицательный, а у позитрона — положительный; протону соответствует антипротон с противоположным зарядом. Античастица — не просто частица с другой массой: масса пары одинакова. Такое соответствие важно учитывать при описании реакций и превращений частиц.

Основные группы элементарных частиц

Таблица сопоставляет группы по двум признакам: участию в сильном взаимодействии и строению или особому свойству. Пользуйтесь сначала столбцом об участии во взаимодействии, чтобы различать лептоны и адроны. Затем состав адрона поможет определить, мезон он или барион; фотон выделяется отдельно.

Разбор задач

Задача 1. Определите, к какой группе относятся электрон, протон и фотон. Сначала выясним, какие свойства помогут провести классификацию. Электрон — лептон, протон — адрон, а фотон стоит за пределами деления на эти две группы. Разберём, как прийти к каждому выводу.

1. Электрон не участвует в сильном взаимодействии, поэтому относится к лептонам.
2. Протон участвует в сильном взаимодействии и состоит из кварков, значит, это адрон; по составу из трёх кварков он является барионом.
3. Фотон — квант электромагнитного поля, не относящийся ни к лептонам, ни к адронам.

Ответ: электрон — лептон, протон — барион и адрон, фотон — квант электромагнитного поля вне этих групп.

Задача 2. Частица состоит из кварка и антикварка. Определите её группу и объясните, участвует ли она в сильном взаимодействии. В условии дан состав, поэтому сперва сравним его с составом мезонов и барионов. После этого определим более крупную группу и взаимодействие, характерное для неё.

1. Пара кварк — антикварк соответствует определению мезона.
2. Мезоны относятся к адронам, поскольку являются частицами с кварковым составом.
3. Адроны участвуют в сильном взаимодействии, следовательно, данная частица тоже в нём участвует.

Ответ: частица — мезон, то есть адрон; она участвует в сильном взаимодействии.

Задача 3. Частица A состоит из трёх кварков, частица B — из кварка и антикварка. Классифицируйте их и назовите соответствующие античастицы. Сначала определим вид каждой частицы по составу, затем подберём античастицы, помня, что некоторые их характеристики противоположны.

1. Три кварка в составе A указывают на барион; барион является адроном и участвует в сильном взаимодействии.
2. Кварк и антикварк в составе B указывают на мезон; мезон также является адроном и участвует в сильном взаимодействии.
3. Для A существует соответствующий антибарион, образованный тремя антикварками. Для B соответствующая античастица — антимезон, где кварк и антикварк заменены на соответствующие античастицы.

Ответ: A — барион, его античастица — антибарион; B — мезон, его античастица — антимезон.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все элементарные частицы участвуют в сильном взаимодействии. Обычно так думают, потому что адроны часто приводят как примеры частиц; однако лептоны и фотон сильного взаимодействия не испытывают. Проверьте себя: если частица названа лептоном или фотоном, не приписывайте ей участие в сильном взаимодействии.

Мезоны и барионы иногда путают, поскольку обе группы — адроны. Различать их нужно не по заряду или массе, а по составу: мезон содержит кварк и антикварк, барион — три кварка. Для самопроверки сопоставьте указанный в условии состав с этими двумя вариантами.

Неверно называть фотон разновидностью адрона. Это может казаться правдоподобным, если считать адронами все частицы, но фотон не состоит из кварков и не относится к адронам. Проверьте определение: фотон — квант электромагнитного поля, а не кварковая частица.

Античастице не следует приписывать массу, противоположную массе исходной частицы. Путаница возникает из-за того, что некоторые характеристики у пары действительно противоположны. Но масса частицы и соответствующей античастицы одинакова; при проверке отдельно сравнивайте массу и заряд.

Связь с другими темами

Для изучения классификации нужно знать, что существуют фундаментальные взаимодействия, а частицы могут иметь массу и электрический заряд. Эти свойства помогают описывать, как частицы проявляют себя в физических процессах. Классификация подготавливает к изучению кварков: состав кварков позволяет различать мезоны и барионы. Она также нужна при разборе реакций элементарных частиц и применении законов сохранения, поскольку позволяет установить, какие частицы участвуют в процессе.

Что запомнить

• Адроны участвуют в сильном взаимодействии.
• Лептоны в сильном взаимодействии не участвуют.
• Адроны делятся на мезоны и барионы.
• Мезон состоит из кварка и антикварка.
• Барион состоит из трёх кварков.
• Фотон является квантом электромагнитного поля.
• У многих частиц есть соответствующие античастицы.