§ 60. Лептоны и адроны

Определения и обозначения

Лептон — фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии. Примеры лептонов: электрон e⁻, мюон μ⁻, тау-лептон τ⁻ и нейтрино νₑ, νμ, ντ. Это определение нужно, чтобы отличать частицы без наблюдаемой кварковой структуры от составных объектов.

Адрон — составная частица, участвующая в сильном взаимодействии. Адроны построены из кварков, поэтому к ним относятся протон, нейтрон и мезоны. Понятие помогает объединить частицы, на которые действует сильное взаимодействие, несмотря на различие их массы и заряда.

Мезон — адрон, состоящий из кварка и антикварка. Примеры мезонов — π-мезоны и каоны; их спин целый, потому что два кварка имеют полуцелые спины, а их комбинация даёт целый результат. Так мезоны отличаются от барионов не только составом, но и типичным значением спина.

Барион — адрон, состоящий из трёх кварков. Протон имеет состав uud, а нейтрон — udd; оба являются барионами и имеют полуцелый спин. Это определение позволяет понять кварковую природу частиц атомного ядра.

Как это устроено

Частицы делят на лептоны и адроны по составу и характеру взаимодействия, потому что эти признаки связаны между собой. Лептоны не имеют наблюдаемой внутренней структуры и не несут цветового заряда, необходимого для сильного взаимодействия. Адроны, напротив, состоят из кварков, связанных сильным взаимодействием, поэтому их свойства определяются и составом, и движением кварков.

Кварковая структура объясняет существование двух основных семейств адронов. Кварк и антикварк образуют мезон, а три кварка — барион; для античастиц используются соответствующие антикварки. Такая схема позволяет получить целые электрические заряды наблюдаемых частиц: например, комбинация uud даёт протон, а udd — нейтрон.

Лептоны считают фундаментальными, поскольку эксперименты не обнаружили в них более мелких составных частей. Адроны фундаментальными не являются: их можно описывать как связанные системы кварков и глюонов. При этом название «частица» применяют и к адронам, потому что в экспериментах они проявляют себя как отдельные устойчивые или краткоживущие объекты.

На лептоны и адроны могут действовать разные фундаментальные взаимодействия. Заряженные частицы участвуют в электромагнитном взаимодействии, слабое взаимодействие возможно для лептонов и адронов, а сильное характерно для адронов, содержащих кварки. Нейтрино не имеет электрического заряда и не участвует в сильном взаимодействии, поэтому для него основным является слабое взаимодействие.

Частица и античастица имеют одинаковую массу и противоположные некоторые заряды. Электрон e⁻ связан с позитроном e⁺, а протон p — с антипротоном p̄; антипротон состоит из трёх антикварков. При встрече частица и античастица могут аннигилировать, превращаясь в другие частицы, если выполняются законы сохранения.

Сравнение лептонов и адронов

Сначала по таблице определите, является ли частица фундаментальной или составной. Затем проверьте состав: пара кварк–антикварк указывает на мезон, а три кварка — на барион.

Строка о взаимодействии помогает отличить лептоны от адронов, а строка о спине показывает следствие их внутреннего состава. Для конкретной частицы нужно учитывать также её заряд: например, нейтральность сама по себе не означает, что перед нами нейтрино.

Разбор задач

Задача 1. Распределить электрон, нейтрино, протон, нейтрон и π-мезон по группам: лептоны, мезоны и барионы. Используем не заряд частиц, а их принадлежность к определённому классу.

1. Электрон и нейтрино не имеют кварковой структуры и не участвуют в сильном взаимодействии. Значит, оба объекта относятся к лептонам.
2. π-мезон состоит из кварка и антикварка. Следовательно, он является мезоном.
3. Протон и нейтрон состоят из трёх кварков: uud и udd соответственно. Поэтому они относятся к барионам.

Ответ: лептоны — электрон и нейтрино; мезоны — π-мезон; барионы — протон и нейтрон.

Задача 2. Найти состав и электрический заряд протона и нейтрона, если u-кварк имеет заряд +⅔e, а d-кварк — −⅓e. Сначала записываем кварковый состав, затем складываем заряды всех составляющих частиц.

1. Протон: uud. Его заряд равен +⅔e + +⅔e + −⅓e = +e.
2. Нейтрон: udd. Его заряд равен +⅔e + −⅓e + −⅓e = 0.
3. Полученные значения совпадают с известными зарядами протона и нейтрона, значит, состав выбран правильно.

Ответ: p = uud, qₚ = +e; n = udd, qₙ = 0.

Задача 3. Проверить реакцию n → p + e⁻ + анти-νₑ. Рассмотрим сохранение электрического заряда и распознаем физический процесс.

1. Слева заряд нейтрона равен 0. Справа сумма зарядов равна +e − e + 0 = 0, поэтому электрический заряд сохраняется.
2. Нейтрон и протон являются барионами, а электрон и антинейтрино — лептонами; их появление согласуется с сохранением соответствующих квантовых чисел.
3. Превращение d-кварка в u-кварк сопровождается испусканием виртуального W⁻-бозона, который распадается на электрон и антинейтрино. Это бета-распад, обусловленный слабым взаимодействием.

Ответ: реакция возможна с точки зрения законов сохранения и является β⁻-распадом нейтрона.

Типичные ошибки

Ошибка — считать адроны фундаментальными частицами. Её допускают, потому что протон и нейтрон долгое время рассматривались как неделимые; проверить себя можно по составу: адрон имеет кварковую структуру.

Нельзя называть всякую нейтральную частицу нейтрино. Нейтральными бывают, например, нейтрон и некоторые мезоны; нужно выяснить, есть ли у частицы кварковый состав и участвует ли она в сильном взаимодействии.

Мезоны и барионы не являются синонимами. Мезон состоит из кварка и антикварка, а барион — из трёх кварков; при решении задачи сначала записывайте состав частицы.

Неверно приписывать лептонам сильное взаимодействие. Заряженные лептоны участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействиях, а нейтрино — только в слабом; отсутствие сильного взаимодействия является главным признаком класса.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны понятия элементарной частицы, античастицы, электрического заряда и фундаментальных взаимодействий. Классификация лептонов и адронов помогает понять строение атомного ядра и радиоактивные превращения, включая бета-распад.

Кварковая модель связывает этот материал со Стандартной моделью и законами сохранения в микромире. Через состав адронов можно объяснить свойства протона и нейтрона, а через взаимодействия — ход реакций элементарных частиц.

Что запомнить

• Лептоны не имеют наблюдаемой внутренней кварковой структуры.
• Адроны состоят из кварков и участвуют в сильном взаимодействии.
• Мезон состоит из кварка и антикварка.
• Барион состоит из трёх кварков.
• Протон и нейтрон являются барионами.
• У каждой частицы существует соответствующая античастица.
• Классификация частиц связана с их составом и типами взаимодействий.