3. Фундаментальные частицы и фундаментальные взаимодействия

Определения и обозначения

Фундаментальная частица — частица, структуру которой в рамках современных представлений не удаётся описать как состоящую из более простых частиц. Это не означает, что наука доказала невозможность любой внутренней структуры, но пока такие составляющие не обнаружены. Понятие помогает отделить исходные «кирпичики» материи от сложенных из них объектов.

Античастица — частица, связанная с соответствующей обычной частицей и имеющая противоположный электрический заряд. У нейтральных частиц античастицы тоже могут существовать, поэтому одним зарядом различия не исчерпываются. При встрече частицы и античастицы возможна аннигиляция — их превращение в другие частицы и энергию.

Кварк — фундаментальная частица, из кварков состоят адроны, в том числе протоны и нейтроны. Кварк обладает дробным электрическим зарядом, например +⅔ или −⅓ элементарного заряда. Это понятие нужно, чтобы объяснять состав ядерных частиц и получать их целый суммарный заряд сложением зарядов составляющих.

Фундаментальное взаимодействие — базовый вид взаимодействия между частицами, не сводимый в принятом описании к более простому. Известны гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Их различают по тому, на какие частицы они действуют и какие процессы вызывают.

Как это устроено

Фундаментальные частицы делят на две группы: кварки и лептоны. Кварки участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны, например электрон и нейтрино, — нет, поэтому классификация сразу показывает, какие процессы возможны для частицы. Словом «адроны» называют не ещё один вид фундаментальных частиц, а составные частицы, построенные из кварков.

Адроны делятся на барионы и мезоны по числу и типу составляющих кварков: барион состоит из трёх кварков, мезон — из кварка и антикварка. Протон имеет состав uud, а нейтрон — udd; они различаются заменой одного кварка, поэтому их заряды тоже неодинаковы. Адроны не наблюдаются как свободные кварки: сильное взаимодействие удерживает кварки внутри, и попытка разделить их приводит к рождению новых кварков и антикварков.

Для каждой частицы может существовать античастица, потому что квантовые свойства допускают противоположные значения некоторых характеристик. Например, у электрона заряд −e, а у позитрона +e; у нейтральных частиц античастицы также различаются другими характеристиками. При аннигиляции частица и античастица исчезают как исходная пара, а их энергия и квантовые характеристики переходят к продуктам реакции.

Гравитационное взаимодействие связано с массой и энергией и проявляется, например, в притяжении тел, но на уровне частиц оно чрезвычайно слабо. Электромагнитное действует на электрически заряженные частицы и отвечает за электрические и магнитные явления, а также за связь электронов с ядром. Сильное взаимодействие действует на кварки и удерживает их в адронах; слабое действует на кварки и лептоны и вызывает превращения частиц, в том числе β-распад.

В квантовом описании взаимодействие представляют как обмен частицами-переносчиками: так частицы передают друг другу импульс и энергию. Электромагнитное взаимодействие связывают с фотонами, сильное — с глюонами, слабое — с W- и Z-бозонами. Переносчик гравитационного взаимодействия в квантовой теории пока не обнаружен, поэтому его не следует ставить в один ряд с установленными переносчиками.

Фундаментальные взаимодействия

В таблице сопоставлены объекты, на которые действует каждый вид взаимодействия, характерные процессы и их переносчики. Относительная сила указана качественно: сильное взаимодействие наиболее мощное на малых расстояниях, а гравитационное для частиц — самое слабое. Дальность помогает понять, насколько далеко взаимодействие может проявляться.

Разбор задач

Классификация частиц

Условие. Определите, к каким группам относятся электрон, нейтрино и протон: к лептонам, кваркам или адронам. Нужно выяснить не только название группы, но и является ли частица составной. Применим признак: лептоны и кварки фундаментальны, а адроны состоят из кварков.

1. Электрон — лептон: он фундаментален и не является адроном.
2. Нейтрино — тоже лептон; его электрический заряд равен нулю, но это не делает его адроном.
3. Протон — адрон и барион, составленный из трёх кварков.

Ответ. Электрон и нейтрино относятся к лептонам, протон — к адронам. Ни электрон, ни нейтрино не являются кварками.

Заряды протона и нейтрона

Условие. Запишите кварковый состав протона и нейтрона и найдите их заряды, если заряд u-кварка равен +⅔e, а d-кварка −⅓e. Заряд составной частицы равен сумме зарядов её кварков. Сначала запишем состав, затем отдельно сложим дроби.

1. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка: uud.
2. Его заряд: 2 · (+⅔e) + (−⅓e) = +e.
3. Нейтрон состоит из одного u-кварка и двух d-кварков: udd.
4. Его заряд: (+⅔e) + 2 · (−⅓e) = 0.

Ответ. Протон: uud, заряд +e. Нейтрон: udd, заряд 0; дробные заряды кварков складываются в целый заряд адрона.

β-распад нейтрона

Условие. При β-распаде нейтрон превращается в протон, электрон и электронное антинейтрино: n → p + e⁻ + ν̄ₑ. Определите взаимодействие, отвечающее за распад, и проверьте сохранение электрического заряда. Для этого сравним заряд исходной частицы с суммой зарядов продуктов.

1. Нейтрон превращается в протон и лептоны, то есть в процессе меняется тип частицы.
2. Такие превращения относятся к слабому взаимодействию.
3. Слева заряд равен 0; справа он равен +e − e + 0 = 0.

Ответ. Распад происходит благодаря слабому взаимодействию. Электрический заряд сохраняется: суммарный заряд продуктов равен нулю, как и заряд нейтрона.

Типичные ошибки

Ошибка — считать все частицы, которые называют элементарными, фундаментальными. Так можно подумать, потому что в школьных задачах протон или нейтрон часто выступает как единый объект. Проверьте себя: если частица состоит из кварков, как протон или нейтрон, это составной адрон, а не фундаментальная частица.

Ошибка — путать лептоны с адронами и считать, что они различаются только массой. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, а адроны состоят из кварков; смешение возникает из-за того, что обе группы включают частицы микромира. Проверьте тип частицы по составу и участию в сильном взаимодействии: электрон — лептон, протон — адрон.

Ошибка — приписывать отдельному кварку целый электрический заряд. Протоны и электроны имеют целые заряды, поэтому легко по привычке распространить это свойство на их составляющие. У кварков заряд дробный, а заряд адрона получают сложением зарядов кварков; проверка на протоне uud даёт +e.

Ошибка — считать, что античастица отличается только знаком электрического заряда. Это кажется достаточным критерием для электрона и позитрона, но у нейтральных частиц также бывают античастицы. Проверяйте и другие аддитивные квантовые характеристики: у античастицы они могут иметь противоположные значения.

Связь с другими темами

Для этой темы нужны понятия электрического заряда, закон его сохранения и основные сведения об атомном ядре: они позволяют проверять состав частиц и реакции. Классификация частиц и взаимодействий помогает разбирать радиоактивность, ядерные реакции и процессы в микромире. Идея частиц-переносчиков связывает школьную картину взаимодействий с квантовой физикой и современной физической картиной мира.

Что запомнить

• Фундаментальные частицы делятся на кварки и лептоны.
• Протон и нейтрон — адроны, состоящие из кварков.
• Барион состоит из трёх кварков, мезон — из кварка и антикварка.
• У частицы может быть античастица с противоположным электрическим зарядом.
• Различают гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия.
• С взаимодействиями связывают частицы-переносчики: фотон, глюоны, W- и Z-бозоны.