§ 59. Классификация элементарных частиц

Определения и обозначения

Элементарная частица — объект микромира, свойства которого описывают квантовая теория и физика взаимодействий. В современной физике так называют фундаментальные частицы, а в школьном изложении иногда шире — частицы, участвующие в ядерных и других микропроцессах. Поэтому слово «элементарная» не всегда означает отсутствие внутреннего строения: адроны состоят из кварков. Термин нужен, чтобы отличать микрочастицы от атомов, молекул и составных ядер.

Античастица — частица, связанная с данной частицей и имеющая ту же массу, но противоположные значения некоторых характеристик. Чаще всего меняется знак электрического заряда: электрону соответствует позитрон. При встрече частица и античастица могут аннигилировать, превращаясь в другие частицы. Понятие античастицы помогает отслеживать заряд и другие сохраняющиеся величины в реакциях.

Лептон — частица, не участвующая в сильном взаимодействии. К лептонам относятся электрон, мюон, тау-лептон и нейтрино. Они могут участвовать в электромагнитном и слабом взаимодействиях, если имеют соответствующие свойства. Это определение позволяет отличить лептоны от частиц, образующих адроны.

Адрон — частица, участвующая в сильном взаимодействии. Адроны составлены из кварков и подразделяются на мезоны и барионы. Мезоны состоят из кварка и антикварка, а барионы — из трёх кварков. Такое деление связано не с массой, а с внутренним кварковым составом.

Как это устроено

Частицы классифицируют по участию в фундаментальных взаимодействиях и по внутреннему строению. Одной массы или электрического заряда недостаточно: одинаково заряженные объекты могут принадлежать к разным группам. Например, электрон и протон имеют заряды противоположных знаков, но электрон является лептоном, а протон — составным адроном. Такая классификация показывает, какие процессы для частицы возможны.

Главное различие лептонов и адронов связано с сильным взаимодействием. Оно действует на кварки и связывает их внутри адронов, но не действует на лептоны. Поэтому протон может участвовать в сильных ядерных процессах, а электрон — нет, хотя электрон способен взаимодействовать электромагнитно. Нейтрино взаимодействует ещё слабее и не имеет электрического заряда, но по-прежнему относится к лептонам.

Мезоны и барионы — не самостоятельные группы наряду с адронами, а два класса адронов. В мезоне кварк соединён с антикварком, поэтому такая система обычно нестабильна и быстро распадается. В барионе находятся три кварка; к этому классу относятся протон и нейтрон. Разный состав объясняет различия их квантовых характеристик и возможных превращений.

Кварки входят в состав адронов и обладают дробными электрическими зарядами. Например, протон имеет состав uud, а нейтрон — udd: здесь u обозначает верхний кварк с зарядом +⅔e, а d — нижний кварк с зарядом −⅓e. Кварки не наблюдаются поодиночке в обычных условиях, потому что сильное взаимодействие не позволяет свободно удалить один кварк из адрона. При большой энергии вместо свободного кварка возникают новые связанные частицы.

Античастицы нужны для описания рождения и уничтожения пар частиц, а законы сохранения проверяют допустимость реакции. В каждом процессе должен сохраняться суммарный электрический заряд, а также другие величины, например энергия и импульс. Поэтому классификация помогает понять состав начальных и конечных состояний, а законы сохранения — проверить, может ли превращение произойти. Если хотя бы один обязательный закон нарушен, запись реакции неверна.

Основные группы элементарных частиц

Таблицу удобно читать сверху вниз: сначала определить, участвует ли частица в сильном взаимодействии, а затем уточнить её состав. Мезоны и барионы являются подгруппами адронов, а кварки — их составляющими, а не разновидностью адронов. При решении задачи полезно сначала назвать общую группу, а потом подгруппу или состав.

Разбор задач

Задача 1

Условие. Распределите электрон, протон, нейтрино и нейтральный пион на лептоны и адроны, а для адронов укажите подгруппу. Сначала нужно выяснить участие частиц в сильном взаимодействии. Затем для каждого адрона определить, является ли он мезоном или барионом.

1. Электрон и нейтрино не участвуют в сильном взаимодействии, значит, это лептоны.
2. Протон участвует в сильном взаимодействии и состоит из трёх кварков, поэтому это барион.
3. Нейтральный пион является системой кварка и антикварка, поэтому он мезон.

Ответ: электрон и нейтрино — лептоны; протон — адрон-барион; нейтральный пион — адрон-мезон.

Задача 2

Условие. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Их заряды равны соответственно +⅔e и −⅓e. Нужно найти общий заряд протона, сложив вклады всех составляющих.

1. Два u-кварка дают заряд 2 · (+⅔e) = +4⁄3e.
2. Один d-кварк даёт заряд −⅓e.
3. Складываем заряды: +4⁄3e − ⅓e = +3⁄3e = +e.

Ответ: заряд протона равен +e, то есть одному элементарному положительному заряду.

Задача 3

Условие. При рождении пары электрон—позитрон фотон превращается в две частицы. Нужно объяснить, почему сохраняется электрический заряд, и назвать античастицу. До реакции фотон электрически нейтрален, поэтому его заряд равен нулю.

1. Электрон имеет заряд −e, а позитрон — заряд +e.
2. Суммарный заряд пары равен −e + e = 0.
3. Конечный заряд совпадает с начальным, значит, закон сохранения электрического заряда не нарушен.

Ответ: позитрон является античастицей электрона, а суммарный заряд пары равен нулю.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все элементарные частицы не имеют внутреннего строения. Так происходит из-за буквального смысла слова «элементарная», но адроны состоят из кварков. Проверка проста: выясните, относится ли объект к фундаментальным частицам или к составным адронам.

Нельзя относить мезоны и барионы к отдельным группам наряду с адронами. Мезоны и барионы — подгруппы адронов, различающиеся кварковым составом. Проверьте себя вопросом: участвует ли частица в сильном взаимодействии; если да, сначала назовите её адроном.

Кварки не следует путать с лептонами. Кварки входят в состав адронов и участвуют в сильном взаимодействии, а лептоны не имеют кваркового состава и в сильном взаимодействии не участвуют. Для проверки определите, описывается ли частица как составляющая адрона или как самостоятельный лептон.

Античастица не имеет противоположной массы. Массы частицы и античастицы одинаковы, а противоположными могут быть заряд и некоторые другие характеристики. При проверке запишите массу отдельно и сравните знаки тех величин, которые меняются при переходе к античастице.

Связь с другими темами

Для понимания классификации нужны знания об электрическом заряде, массе, фундаментальных взаимодействиях и законах сохранения. Без них трудно определить группу частицы и проверить допустимость реакции.

Классификация помогает разбирать ядерные реакции и распады. В каждом превращении можно установить частицы начального и конечного состояний, а затем проверить сохранение заряда и других величин.

Эта тема подготавливает к изучению кварковой модели вещества и физики атомного ядра. Кварковый состав объясняет свойства протонов, нейтронов и других адронов.

Что запомнить

• Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
• Адроны участвуют в сильном взаимодействии.
• Адроны делятся на мезоны и барионы.
• Мезон состоит из кварка и антикварка.
• Барион состоит из трёх кварков.
• Античастица имеет ту же массу, что и соответствующая частица.