Главное в главе XI

Определения и обозначения

Элементарные частицы — частицы, из которых построено вещество и для которых в современной физике не обнаружена внутренняя структура. Слово «элементарные» означает не то, что их невозможно изучать, а то, что пока не выявлены более мелкие составляющие этих частиц. Это понятие помогает описывать фундаментальный уровень устройства материи.

Лептоны — семейство частиц, к которым относятся, например, электрон и нейтрино. Они не участвуют в сильном взаимодействии, которое связывает кварки внутри адронов. Это свойство позволяет отличать лептоны от частиц, построенных из кварков.

Кварки — фундаментальные частицы, из которых состоят адроны, в том числе протоны и нейтроны. Свободные кварки не наблюдаются: они существуют в связанных состояниях. Понятие кварка нужно, чтобы объяснить внутреннее строение частиц атомного ядра.

Фундаментальные взаимодействия — четыре типа взаимодействия частиц: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Они различаются тем, на какие частицы действуют, каковы их свойства и какова дальность действия. Например, сильное связывает кварки, электромагнитное действует на заряженные частицы, слабое связано с некоторыми превращениями частиц, а гравитационное — с массой и энергией.

Как это устроено

Деление вещества на атомы и ядра не завершает поиск его составляющих: само ядро состоит из протонов и нейтронов, а эксперименты обнаружили в этих частицах внутреннее строение. При столкновениях частиц с большой энергией наблюдали результаты, которые нельзя объяснить, считая протон неделимым объектом. Так появилась необходимость описывать более глубокий уровень — кварки. Поэтому протон и нейтрон называют составными частицами, а не элементарными.

Один из способов классифицировать частицы — выяснить, участвуют ли они в сильном взаимодействии. Лептоны, включая электрон и нейтрино, его не испытывают, тогда как кварки участвуют. Кварки обычно не существуют отдельно, а объединяются в адроны; поэтому адроны тоже испытывают сильное взаимодействие. Такое различие помогает не путать частицы, из которых складываются адроны, с частицами вроде электрона.

Адроны делятся на барионы и мезоны в зависимости от кваркового состава. Барион содержит три кварка: протон имеет состав uud, а нейтрон — udd, где u и d обозначают разные типы кварков. Мезон состоит из кварка и антикварка — частицы, связанной с кварком и имеющей противоположные некоторые характеристики. Значит, число и тип составляющих позволяют определить разновидность адрона.

Кварки не встречаются поодиночке из-за особого свойства сильного взаимодействия — удержания кварков внутри связанных состояний. Если пытаться раздвинуть кварки, энергия взаимодействия не исчезает, а возрастает. При достаточной энергии вместо изолированного кварка возникают новые кварк-антикварковые пары, которые тоже образуют связанные частицы. Поэтому обнаруживают адроны, а не свободные кварки.

Взаимодействия описывают не только через то, какие частицы на них реагируют, но и через переносчики. Фотон переносит электромагнитное взаимодействие, глюоны связаны с сильным, а бозоны W и Z — со слабым. Эти частицы не следует считать строительными блоками обычных адронов: их роль состоит в передаче взаимодействия между частицами. Для гравитационного взаимодействия переносчик в рамках такой классификации не установлен экспериментально.

Классы элементарных частиц и их свойства

Сначала определите, участвует ли частица в сильном взаимодействии: отрицательный ответ указывает на лептон или переносчик, положительный — на кварк или адрон. Затем выясните, является ли частица самостоятельной фундаментальной частицей или составным состоянием. Помните, что барионы и мезоны — это разновидности адронов, а переносчики выделены по своей роли.

Разбор задач

Задача 1. Определите, к какому классу частиц относятся электрон, нейтрино, протон и нейтрон. Необходимо разделить лептоны и адроны, учитывая внутреннее строение последних. Для этого используем признак участия в сильном взаимодействии и состав частицы.

1. Электрон и нейтрино не участвуют в сильном взаимодействии, поэтому относятся к лептонам.
2. Протон и нейтрон участвуют в сильном взаимодействии и состоят из кварков, значит, это адроны.
3. Уточняем подкласс: протон и нейтрон состоят из трёх кварков, поэтому являются барионами.

Ответ: электрон и нейтрино — лептоны; протон и нейтрон — адроны, а точнее барионы. Здесь важно не назвать протон и нейтрон элементарными частицами: они имеют кварковый состав. По этому составу их можно отнести к составным частицам.

Задача 2. Запишите кварковый состав протона и нейтрона и сравните число кварков в каждом. Используйте обозначения u и d и правило, что барион состоит из трёх кварков. Чтобы различить составы, учитываем, сколько в каждой частице кварков каждого типа.

1. Для протона указываем два u-кварка и один d-кварк: uud.
2. Для нейтрона указываем один u-кварк и два d-кварка: udd.
3. Считаем кварки в каждой записи: в uud их три, и в udd тоже три.

Ответ: протон — uud, нейтрон — udd; оба содержат по три кварка. Различие не в общем числе составляющих, а в их типах и количестве каждого типа. Это соответствует правилу состава барионов.

Задача 3. Частица не участвует в сильном взаимодействии и переносит электромагнитное взаимодействие. Нужно определить, является ли она лептоном, кварком или переносчиком взаимодействия. Сначала проверим, что говорит признак отсутствия сильного взаимодействия, а затем учтём указанную роль.

1. Кварк исключаем: он участвует в сильном взаимодействии.
2. Отсутствие сильного взаимодействия само по себе ещё не отличает лептон от некоторых переносчиков.
3. Решающим становится признак «переносит электромагнитное взаимодействие»: это фотон.

Ответ: частица — фотон, переносчик электромагнитного взаимодействия. Он не является ни лептоном, ни кварком. В этой задаче нужно учитывать оба признака, а не делать вывод только по отсутствию сильного взаимодействия.

Типичные ошибки

Протон и нейтрон иногда считают элементарными частицами, потому что именно они образуют атомное ядро. Но наличие кваркового состава показывает, что это составные адроны. Проверьте себя вопросом: есть ли у частицы известные составляющие? Для протона и нейтрона ответ — да, это кварки.

Лептоны и адроны можно перепутать, если ориентироваться только на то, что оба класса включают частицы вещества. Отличительный признак — сильное взаимодействие: лептоны в нём не участвуют, адроны участвуют. При проверке классификации выясните, есть ли у частицы кварковый состав. Если есть, это адрон, а не лептон.

Представление о свободных кварках возникает из мысли, что составляющие частицы можно просто разделить. Однако сильное взаимодействие удерживает кварки в связанных состояниях, и отдельные кварки в обычных условиях не наблюдаются. Проверяйте формулировку: корректно говорить о кварках внутри адронов, а не об обнаруженных свободных кварках.

Переносчики взаимодействий иногда принимают за частицы, из которых состоит вещество. Путаница понятна: и переносчики, и частицы вещества относятся к микромиру, но их функции различны. Переносчики передают взаимодействие; например, фотон переносит электромагнитное. Проверяя ответ, спросите себя, описывает ли он состав адрона или механизм взаимодействия.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома и ядра, а также о различии между протонами, нейтронами и электронами. При разборе процессов пригодятся понятия заряда, сохранения энергии и импульса, а также представления о сильном и электромагнитном взаимодействиях. Эти знания связывают микромир с наблюдаемыми явлениями: физика элементарных частиц применяется при изучении космических лучей и процессов в ускорителях.

Что запомнить

• Электрон и нейтрино относятся к лептонам.
• Кварки входят в состав адронов.
• Протоны и нейтроны — барионы, состоящие из трёх кварков.
• Мезоны состоят из кварка и антикварка.
• Свободные кварки в обычных условиях не наблюдаются.
• Фотон переносит электромагнитное взаимодействие.
• К фундаментальным взаимодействиям относят сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.