§28. Мир элементарных частиц

Определения и обозначения

Элементарная частица — микрочастица, которая в современной физике рассматривается как не состоящая из более простых частиц. Это рабочее определение: если внутреннюю структуру пока не обнаружили, объект относят к элементарным. Оно помогает отделить фундаментальные объекты от составных систем.

Античастица — частица с такой же массой и спином, как у соответствующей частицы, но с противоположными электрическим зарядом и некоторыми другими квантовыми характеристиками. Например, античастица электрона — позитрон. Такое различие нужно для описания превращений частиц и аннигиляции.

Кварк — фундаментальная частица, входящая в состав адронов; кварки имеют дробный электрический заряд. Обозначения u и d соответствуют верхнему и нижнему кваркам, их заряды равны соответственно +2/3e и −1/3e. В свободном виде кварки не наблюдаются.

Лептон — элементарная частица, не участвующая в сильном взаимодействии; к лептонам относятся электрон, мюон, тау-лептон и нейтрино. Электрон имеет заряд −e, а нейтрино электрически нейтрально. Понятие нужно, чтобы отличать эти частицы от кварков и адронов.

Как это устроено

Современная физика разделяет частицы на элементарные и составные, потому что у некоторых объектов обнаруживается внутренняя структура. Составная частица ведёт себя как единое целое, но при достаточно большой энергии столкновения её части можно исследовать отдельно. Протон и нейтрон не считают элементарными: внутри каждого из них находятся три валентных кварка, связанные сильным взаимодействием.

Кварки объединяются в адроны — частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Барионы состоят из трёх кварков, например протон имеет состав uud, а нейтрон — udd; такое сочетание даёт целый электрический заряд. Мезон образован кварком и антикварком, поэтому его суммарные квантовые характеристики складываются из характеристик обеих составляющих.

Лептоны и кварки различаются не только составом, но и взаимодействиями. Кварки имеют дробный заряд и входят в состав адронов, а лептоны наблюдаются как отдельные частицы и сильному взаимодействию не подвержены. Электрон участвует в электромагнитном и слабом взаимодействиях, тогда как нейтрино — только в слабом и гравитационном.

Фундаментальными называют гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие, глюоны связывают кварки сильным взаимодействием, а W⁺-, W⁻- и Z⁰-бозоны обеспечивают слабое. Переносчик гравитации в виде гравитона теоретически предполагается, но экспериментально не обнаружен.

Основные классы элементарных и составных частиц

Сначала определяйте, является объект элементарным или составным, а затем уточняйте его взаимодействия. Дробный заряд указывает на кварк, а состав из кварка и антикварка — на мезон. Таблица также помогает не путать частицу-вещество с переносчиком взаимодействия.

Разбор задач

1. Классификация частиц

Условие. Определим классы электрона, фотона, протона, нейтрона и нейтрино. Нужно указать, какие из них составные.

1. Электрон и нейтрино относятся к лептонам, поэтому они элементарные и не имеют кваркового состава.
2. Фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия; он также элементарный.
3. Протон и нейтрон являются барионами, то есть адронами из трёх кварков, поэтому они составные.

Ответ. Электрон и нейтрино — лептоны, фотон — переносчик взаимодействия, протон и нейтрон — составные барионы. Составными из перечисленных являются только протон и нейтрон.

2. Заряд протона и нейтрона

Условие. Протон имеет состав uud, нейтрон — udd. Заряды кварков: u = +2/3e, d = −1/3e. Найдём полный заряд каждой частицы.

1. Для протона складываем заряды: qₚ = 2 · (+2/3e) + (−1/3e) = +e.
2. Для нейтрона получаем qₙ = (+2/3e) + 2 · (−1/3e) = 0.
3. Результат сравниваем с известными свойствами частиц: протон заряжен положительно, нейтрон нейтрален.

Ответ. Заряд протона равен +e, а заряд нейтрона — 0. Целые заряды образуются при объединении кварков с дробными зарядами.

3. Бета-распад нейтрона

Условие. Рассмотрим реакцию n → p + e⁻ + ν̄ₑ. Нужно проверить сохранение электрического заряда и объяснить появление антинейтрино.

1. До распада заряд нейтрона равен 0, после распада сумма зарядов равна (+e) + (−e) + 0 = 0.
2. Внутри нейтрона один d-кварк превращается в u-кварк; возникают протон и виртуальный W⁻-бозон, который распадается на электрон и антинейтрино.
3. Антинейтрино необходимо для сохранения лептонного числа и других законов сохранения, поэтому электрон не может появиться один.

Ответ. Электрический заряд сохраняется: 0 = +e − e. Антинейтрино уносит нужные квантовые характеристики и делает распад согласованным с законами сохранения.

Типичные ошибки

Протон и нейтрон считают элементарными, потому что они входят в состав ядра. Ошибка возникает из-за смешения понятий «частица» и «элементарная частица». Проверьте себя: если у объекта есть кварковый состав, он составной.

Кваркам приписывают целые заряды протона или электрона. На самом деле u- и d-кварки имеют дробные заряды, а целое значение получается после сложения. Проверка проста: вычислите сумму зарядов всех кварков в адроне.

Античастицу называют только частицей с противоположным зарядом. При этом забывают, что её масса и спин совпадают с характеристиками исходной частицы, а различаться могут и другие квантовые числа. Сверяйте сразу все основные характеристики, а не один заряд.

Сильное взаимодействие путают со слабым. Сильное удерживает кварки в адронах, а слабое вызывает, в частности, бета-распады. Определить взаимодействие можно по процессу: удержание кварков — сильное, превращение частиц — слабое.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны представления о строении атома и ядра, электрическом заряде, а также законах сохранения энергии и импульса. Они позволяют понимать состав частиц и проверять возможность реакций. Без этих основ трудно анализировать распады и столкновения.

Связь с теорией относительности выражается формулой E = mc². Она показывает, что масса покоя является запасом энергии и может переходить в энергию движения и излучения. Поэтому аннигиляция сопровождается большим выделением энергии.

Знания о частицах используются при изучении ядерных реакций, радиоактивности и работы ускорителей. Они также нужны в современной космологии, где описываются ранняя Вселенная и образование вещества. Классификация частиц помогает объяснять результаты экспериментов.

Что запомнить

• Элементарные частицы не имеют установленной внутренней структуры.
• Протон и нейтрон состоят из кварков и относятся к адронам.
• Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
• Кварки имеют дробные электрические заряды и в свободном виде не наблюдаются.
• У каждой заряженной частицы существует античастица с противоположным зарядом.
• При аннигиляции частица и античастица превращаются в другие частицы и энергию.
• Все реакции с элементарными частицами подчиняются законам сохранения.