§ 36. Мир элементарных частиц

Определения и обозначения

Элементарная частица — объект микромира, который на современном уровне не считают состоящим из более простых частиц. Её основные характеристики — масса, электрический заряд, спин (внутренний момент импульса) и время жизни. Это определение помогает отличать фундаментальные объекты от составных, хотя развитие экспериментов может изменить представления о строении частиц.

Античастица — частица с той же массой и спином, что и соответствующая частица, но с противоположным электрическим зарядом и другими противоположными квантовыми характеристиками. Например, античастица электрона — позитрон. Это понятие нужно, чтобы описывать антиматерию и превращения частиц.

Кварк — фундаментальная частица, входящая в состав адронов. Существуют шесть ароматов кварков: u, d, c, s, t и b; первые три пары называют «верхним», «нижним», «очарованным», «странным», «истинным» и «прелестным». Заряд кварка дробный: у u, c, t он равен +2e/3, у d, s, b — −e/3, где e — элементарный заряд.

Лептон — фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии. К лептонам относятся электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино. Разделение на лептоны и кварки нужно, чтобы упорядочить фундаментальные частицы вещества по их свойствам.

Как это устроено

Протон и нейтрон входят в состав атомного ядра, но это не делает их элементарными. Они относятся к адронам — частицам, на которые действует сильное взаимодействие, — и имеют внутреннее кварковое строение. Поэтому описание ядра через протоны и нейтроны удобно для многих задач, но на более глубоком уровне нужно учитывать кварки.

Классификацию строят по тому, из чего состоят частицы и как они взаимодействуют. Кварки и лептоны считаются фундаментальными частицами вещества, а частицы-переносчики передают взаимодействия между ними. Такое разделение объясняет, почему электрон можно описывать как лептон без известной внутренней структуры, а протон — как составной объект.

Кварки объединяются в адроны под действием сильного взаимодействия. Барион состоит из трёх кварков: протон имеет состав uud, а нейтрон — udd; мезон образован кварком и антикварком. Кварки не удаётся выделить по одному: при попытке их разъединить энергия взаимодействия может привести к появлению новых кварков, которые образуют другие адроны.

Физики выделяют четыре фундаментальных взаимодействия, потому что наблюдаемые процессы требуют разных способов описания. Электромагнитное взаимодействие связано с электрическим зарядом и переносится фотонами; сильное удерживает кварки, его переносчики — глюоны. Слабое взаимодействие участвует, например, в некоторых распадах и переносится W⁺-, W⁻- и Z⁰-бозонами; для гравитации в квантовой теории предполагают гравитон, но его существование не подтверждено.

У частицы может быть античастица, потому что уравнения физики допускают такие пары с одинаковой массой и противоположными зарядами. Когда частица встречается с античастицей, возможна аннигиляция: они превращаются в другие частицы, например фотоны. Это не исчезновение «без остатка»: должны сохраняться энергия, импульс, электрический заряд и другие применимые законы сохранения.

Классификация элементарных частиц и связанных с ними объектов

Сначала определите, является ли объект фундаментальным или составным, затем уточните его группу и состав. Столбец взаимодействий показывает, какие силы существенны для частицы, а особенности помогают проверить классификацию. Гравитон в таблице отмечен как гипотетический: его экспериментально не обнаружили.

Разбор задач

Задача 1. Определите, какие из частиц — электрон, протон, нейтрон и фотон — элементарные, а какие составные. Решение.

1. Электрон относится к лептонам, то есть к фундаментальным частицам вещества; фотон — фундаментальный переносчик электромагнитного взаимодействия.
2. Протон и нейтрон относятся к адронам и имеют кварковое строение, поэтому они составные.
3. Не делайте вывод только по тому, что частица входит в состав ядра: классификация зависит от её внутреннего строения.

Ответ: электрон и фотон — элементарные в принятом описании, протон и нейтрон — составные.

Задача 2. Найдите состав и заряд протона и нейтрона, если заряд u-кварка равен +2e/3, а d-кварка — −e/3. Решение.

1. По составу протон — uud, нейтрон — udd.
2. Для протона сложите заряды: +2e/3 + 2e/3 − e/3 = +e.
3. Для нейтрона сложите заряды: +2e/3 − e/3 − e/3 = 0.

Ответ: протон uud имеет заряд +e, нейтрон udd электрически нейтрален. Сложение зарядов кварков объясняет наблюдаемый заряд целого адрона.

Задача 3. Возможна ли реакция e⁻ + e⁺ → γ + γ с точки зрения законов сохранения электрического заряда, энергии и импульса? Решение.

1. Слева находятся электрон с зарядом −e и позитрон с зарядом +e, поэтому суммарный заряд равен нулю; у фотонов заряд также нулевой.
2. Энергия начальных частиц может перейти в энергию двух фотонов, но должна сохраняться полностью, включая кинетическую энергию.
3. Два фотона могут унести суммарный импульс исходной пары. В системе центра масс они разлетаются в противоположные стороны с равными по модулю импульсами.

Ответ: реакция возможна и описывает аннигиляцию электрона и позитрона. Один фотон в вакууме не мог бы обеспечить сохранение энергии и импульса для пары в системе центра масс, поэтому в данном примере нужны два фотона.

Типичные ошибки

Ошибка: считать протон и нейтрон элементарными, потому что они входят в атомное ядро. Так происходит, если смешивать роль частицы в составе ядра с её внутренним строением. Проверьте себя вопросом: известны ли составляющие этой частицы? У протона и нейтрона это кварки.

Ошибка: считать античастицу только обычной частицей с противоположным зарядом. Такое упрощение не учитывает другие квантовые характеристики, которые также могут иметь противоположные значения. Для проверки сравните пару целиком: массы и спины совпадают, а заряды и соответствующие характеристики противоположны.

Ошибка: складывать заряды кварков, забывая состав адрона. Тогда легко ошибиться в числе слагаемых или принять мезон за барион. Сначала запишите состав: три кварка для бариона, кварк и антикварк для мезона, — и лишь затем складывайте заряды.

Ошибка: представлять аннигиляцию как исчезновение частиц без последствий. Это заблуждение возникает из-за слова «исчезновение», хотя частицы превращаются в другие формы энергии и вещества. Проверка проста: составьте баланс заряда, энергии и импульса до и после реакции; каждый закон сохранения должен выполняться.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и атомного ядра, электрическом заряде, энергии и законах сохранения. Эти представления позволяют перейти от описания атомов к составу частиц и проверке реакций. Классификация частиц помогает разбирать радиоактивность, ядерные реакции, бета-распад и принципы работы ускорителей.

Дальше тема ведёт к Стандартной модели — теории, которая описывает фундаментальные частицы и три негравитационных взаимодействия. Она служит основой физики высоких энергий, где частицы сталкивают и изучают продукты их превращений. Законы сохранения при этом остаются важным способом проверить, допустим ли наблюдаемый процесс.

Что запомнить

• Элементарными называют частицы, не имеющие известной внутренней структуры.
• Протон и нейтрон — составные адроны, состоящие из кварков.
• Барион состоит из трёх кварков, а мезон — из кварка и антикварка.
• Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
• Античастица имеет ту же массу и спин, но противоположные заряды и некоторые другие характеристики.
• Фундаментальные взаимодействия связаны с обменом частицами-переносчиками.
• В превращениях частиц должны выполняться законы сохранения.