1. Классификация элементарных частиц

Определения и обозначения

Элементарная частица — частица, не имеющая известной внутренней структуры. Её основные характеристики — масса, электрический заряд и спин, то есть собственный момент импульса. Это определение показывает, на каком уровне мы описываем вещество: объект считают элементарным, пока эксперимент не выявил более мелкие составляющие.

Лептон — элементарная частица, не участвующая в сильном взаимодействии. К заряженным лептонам относятся электрон, мюон и тау-лептон, а к нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Такое определение нужно, чтобы отличать частицы, которые существуют по отдельности, от составляющих адронов.

Кварк — фундаментальная частица с дробным электрическим зарядом, из комбинаций которой состоят адроны. Например, заряды u-кварка и d-кварка равны соответственно +⅔e и −⅓e, где e — элементарный заряд. Кварковая модель позволяет объяснить строение протона и нейтрона.

Адрон — составная частица, участвующая в сильном взаимодействии. Адроны делятся на барионы, состоящие из трёх кварков, и мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Это деление помогает быстро определить устройство частицы по её составу.

Как это устроено

Классификация частиц нужна потому, что одного перечня названий недостаточно, чтобы понять, как частицы устроены и взаимодействуют. Сначала выясняют, есть ли у объекта составные части, затем учитывают, какие взаимодействия на него действуют. Масса, заряд, спин и другие квантовые характеристики помогают различать частицы и проверять, возможен ли тот или иной процесс. В реакциях сохраняются определённые величины, поэтому такая система признаков помогает проверять описание происходящего.

Лептоны и кварки относятся к фундаментальным частицам, но отличаются способом наблюдения. Лептон может существовать отдельно от адронов: например, электрон находится в атоме, а нейтрино может пролетать через вещество. Кварк же испытывает сильное взаимодействие и удерживается внутри адрона; при попытке вырвать его энергия переходит в образование новых частиц. Поэтому кварки нельзя зарегистрировать как свободные частицы в обычных условиях, хотя их свойства изучают по результатам столкновений и распадов.

Известны шесть разновидностей кварков: u (верхний), d (нижний), c (очарованный), s (странный), t (истинный) и b (прелестный). Их объединяют в три поколения: первое — u и d, второе — c и s, третье — t и b. Кварки u, c и t имеют заряд +⅔e, а d, s и b — заряд −⅓e; соответствующие антикварки имеют противоположные заряды. Разновидности отличаются также массой и другими свойствами, поэтому одинаковые правила сборки дают частицы с разными характеристиками.

Сильное взаимодействие связывает кварки в адроны. Барион образуется из трёх кварков, а антибарион — из трёх антикварков; например, протон имеет состав uud, а нейтрон — udd. Мезон состоит из кварка и антикварка, например u-анти-d. Состав позволяет не только отнести адрон к нужной группе, но и найти его заряд: нужно сложить заряды составляющих частиц.

Для каждой частицы существует соответствующая античастица, но это не просто частица с другим названием. Масса и спин у пары одинаковы, а электрический заряд и другие аддитивные квантовые характеристики имеют противоположные знаки. Например, антиэлектрон — позитрон — имеет заряд +e вместо −e; в кварковом составе античастицы каждый кварк заменяется соответствующим антикварком. При встрече частицы и античастицы возможна аннигиляция — превращение их энергии в другие частицы.

Основные группы элементарных и составных частиц

Сначала смотрите на состав: он показывает, фундаментальна частица или составная и к какому типу адронов она относится. Затем сравнивайте заряды составляющих частиц, чтобы установить общий заряд. Строка «античастицы» описывает отношение между частицей и её античастицей, а не отдельный тип адронов.

Разбор задач

1. Распределение частиц по группам

Условие. Распределите электрон, позитрон, протон, фотон и нейтрино по группам: лептон, адрон, античастица; отдельно укажите элементарные частицы. Сначала определим, какие объекты фундаментальны, а какие имеют состав. Затем проверим, является ли частица античастицей и относится ли она к лептонам или адронам.

1. Электрон — элементарный лептон с зарядом −e; позитрон — его античастица и тоже лептон.
2. Протон — адрон, составленный из кварков, поэтому он не элементарный.
3. Фотон — элементарная частица, но не лептон и не адрон; он является собственной античастицей.
4. Нейтрино — элементарный лептон с нулевым электрическим зарядом.

Ответ. Лептоны — электрон, позитрон и нейтрино; адрон — протон. Античастицы среди перечисленных — позитрон и фотон, причём фотон совпадает со своей античастицей; элементарны все перечисленные частицы, кроме протона.

2. Определение типа по кварковому составу

Условие. Определите тип частиц uud, udd, u-анти-d и анти-u анти-u анти-d. Считайте обозначения кварков и антикварков отдельными составляющими. Число составляющих сразу подсказывает, искать ли барион или мезон, а наличие антикварков позволяет распознать античастицу.

1. В uud три кварка, значит, это барион; такой состав имеет протон.
2. В udd также три кварка, поэтому это барион; его пример — нейтрон.
3. В u-анти-d один кварк и один антикварк, значит, это мезон.
4. В анти-u анти-u анти-d три антикварка, следовательно, это антибарион; он соответствует антипротону.

Ответ. uud и udd — барионы, u-анти-d — мезон, анти-u анти-u анти-d — антибарион (антипротон). Проверка проста: барионная группа содержит три кварка либо три антикварка, мезонная — пару «кварк — антикварк».

3. Состав uds и его заряд

Условие. Определите класс частицы состава uds, вычислите её заряд, если u имеет заряд +⅔e, а d и s — по −⅓e, и запишите состав античастицы. Здесь нужно одновременно применить правило подсчёта кварков и правило сложения электрических зарядов. Сначала определим тип, затем выполним расчёт и заменим каждый кварк на антикварк.

1. Состав содержит три кварка, поэтому частица является барионом.
2. Сложим заряды: +⅔e − ⅓e − ⅓e = 0.
3. Заменим u, d и s на соответствующие антикварки: анти-u, анти-d и анти-s.

Ответ. Частица uds — нейтральный барион. Её античастица имеет состав анти-u анти-d анти-s и также нулевой электрический заряд, поскольку заряды всех трёх составляющих меняют знак.

Типичные ошибки

Протон и нейтрон иногда считают элементарными, потому что они входят в атомное ядро и в школьной химии выступают как частицы вещества. Но состав uud или udd показывает, что каждый из них состоит из трёх кварков. Проверяйте, означает ли слово «частица» обязательно «элементарная»: составной объект тоже может быть частицей.

Лептоны ошибочно связывают только с наличием или отсутствием электрического заряда. Электрон заряжен, а нейтрино нейтрален, но оба — лептоны, потому что не участвуют в сильном взаимодействии. Чтобы определить класс, спрашивайте прежде всего о взаимодействии и строении, а не только о заряде.

Иногда предполагают, что кварк можно отделить от адрона и наблюдать сам по себе. Причина ошибки — представление о кварках как о маленьких шариках, которые достаточно сильно потянуть. В действительности удерживающее сильное взаимодействие не позволяет получить свободный кварк: проверяйте, идёт ли речь о кварковой составляющей адрона или о реально зарегистрированной частице.

Античастицу могут представлять как объект другой массы или считать, что меняется лишь знак электрического заряда. Однако у пары совпадают масса и спин, а противоположны также другие аддитивные характеристики. При проверке сравните все названные свойства и, для кваркового состава, замените каждый кварк соответствующим антикварком.

Связь с другими темами

Для понимания классификации полезно знать строение атома и ядра, смысл электрического заряда и закон его сохранения: эти знания позволяют отличать протон от кварков и проверять общий заряд системы. Различие фундаментальных и составных объектов помогает не смешивать кварки с адронами, а понятие взаимодействия — понимать, почему лептоны и кварки выделяют в разные группы. Классификация пригодится при изучении ядерных реакций, радиоактивности и физики высоких энергий, где частицы рождаются, распадаются и превращаются друг в друга. Она также служит основой для знакомства со Стандартной моделью.

Что запомнить

• Лептоны и кварки относятся к фундаментальным частицам.
• Адроны состоят из кварков и участвуют в сильном взаимодействии.
• Барион состоит из трёх кварков или трёх антикварков.
• Мезон состоит из кварка и антикварка.
• Кварки имеют дробные электрические заряды.
• У частицы и античастицы одинаковы масса и спин, но противоположны аддитивные заряды.