§ 8.5. Сколько существует элементарных частиц?

Определения и обозначения

Элементарная частица — частица, которую современная физика не считает состоящей из более простых частей. Это не означает абсолютную неделимость навсегда: представление зависит от уровня знаний. Термин нужен, чтобы отличать фундаментальные объекты от составных систем.

Античастица — частица, соответствующая обычной частице по массе и спину, но имеющая противоположные некоторые характеристики. Самый известный пример — позитрон, античастица электрона, с противоположным электрическим зарядом. Понятие позволяет правильно считать частицы и описывать их превращения.

Лептон — элементарная частица, не участвующая в сильном взаимодействии. К лептонам относятся электрон и нейтрино. Это определение помогает отделить частицы, не состоящие из кварков, от адронов.

Адрон — частица, участвующая в сильном взаимодействии и состоящая из кварков. Мезоны состоят из кварка и антикварка, а барионы — из трёх кварков. Такое различие показывает, как одна общая группа упорядочивается по внутреннему составу.

Как это устроено

Список известных частиц быстро рос потому, что ускорители сделали возможными столкновения при огромных энергиях. Энергия движения превращается в энергию покоя новых частиц, если это разрешают законы сохранения. Многие из них живут очень мало и не успевают долететь до детектора. Их обнаруживают по траекториям распада и по энергиям дочерних частиц.

Сначала разнообразие частиц казалось признаком большого числа самостоятельных «кирпичиков» природы. Однако одинаковые закономерности распадов, заряды и результаты столкновений указывали на внутреннюю структуру. При более высоких энергиях частицы начали проявлять составные свойства. Так некоторые прежние кандидаты в элементарные объекты стали считать системами из более фундаментальных составляющих.

Главное практическое деление — на лептоны и адроны — связано с сильным взаимодействием. Лептоны в нём не участвуют, поэтому электрон и нейтрино не описывают как связанные комбинации кварков. Адроны, напротив, испытывают сильное взаимодействие и имеют кварковый состав. Такое деление основано не на размере или массе частицы, а на характере её взаимодействий.

Кварковая модель упорядочивает огромное число адронов с помощью простого правила состава. Мезон включает кварк и антикварк, а барион — три кварка; для античастиц используются антикварки. Разные сочетания кварков дают частицы с различными массами, зарядами и временем жизни. Поэтому число наблюдаемых адронов может быть большим, хотя фундаментальных кварков значительно меньше.

На вопрос о числе элементарных частиц нельзя ответить одним числом без дополнительных условий. Нужно решить, считают ли только фундаментальные частицы или также их античастицы, а также какие состояния включают в список. Адроны при этом не следует прибавлять к элементарным частицам: они составные. Поэтому корректный ответ всегда связан с принятой классификацией и правилом подсчёта.

Основные группы частиц и их состав

Таблица показывает, какие объекты относятся к основным группам и по какому признаку их различают. Античастицы приведены отдельно как соответствующие пары, хотя они могут относиться к той же группе, что и исходные частицы. При подсчёте сначала определите состав или взаимодействие, а затем проверьте, не учитывается ли античастица отдельно.

Разбор задач

1. Электрон

Условие. Определите, к какой группе относится электрон: к лептонам или адронам. Нужно сопоставить его свойства с определениями двух групп, а не ориентироваться на массу или электрический заряд.

1. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, а адроны участвуют и состоят из кварков.
2. Электрон не относят к составным кварковым системам и не считают участником сильного взаимодействия.
3. Следовательно, его признак совпадает с определением лептона.

Ответ: электрон — лептон.

2. Состав адронов

Условие. Укажите состав мезона и бариона, если мезон образован кварком и антикварком, а барион — тремя кварками. Здесь требуется применить правило кварковой модели, не подменяя его примерами отдельных частиц.

1. Для мезона берём одну пару: кварк + антикварк.
2. Для бариона объединяем три кварка: кварк + кварк + кварк.
3. Различие определяется именно числом и типом составляющих, поэтому оба объекта являются адронами, но относятся к разным видам.

Ответ: мезон = кварк и антикварк; барион = три кварка.

3. Подсчёт с античастицами

Условие. В перечне указаны протон, нейтрон, электрон и соответствующие им античастицы. Объясните, почему итог зависит от того, считают ли античастицы отдельно. Нужно различить число названных видов и число объектов вместе с их античастицами.

1. Без отдельного учёта античастиц перечислены три типа: протон, нейтрон и электрон.
2. Если античастицы считаются отдельными видами, добавляются антипротон, антинейтрон и позитрон.
3. Получается шесть видов в таком учебном перечне, но протон и нейтрон остаются составными адронами, а не элементарными частицами.

Ответ: правило подсчёта меняет итог; при раздельном учёте античастиц в данном списке число удваивается.

Типичные ошибки

Считать старые «элементарные» частицы неделимыми. Так ошибаются, потому что название сохранялось после уточнения модели. Проверка: выясните, нет ли у частицы кваркового состава.

Считать адроны элементарными. Их иногда принимают за фундаментальные из-за привычных примеров — протона и нейтрона. Проверка: вспомните, что адроны состоят из кварков.

Путать античастицу с частицей только противоположного заряда. У нейтральной частицы различие может проявляться в других характеристиках. Проверка: сравнивайте всю пару, включая квантовые характеристики, а не один заряд.

Называть точное число без оговорок. Результат меняется при другой классификации или при включении античастиц. Проверка: сначала укажите правило подсчёта и отделите элементарные частицы от составных адронов.

Связь с другими темами

Для понимания классификации нужны знания о строении атома и ядра, электрическом заряде, массе и взаимодействиях частиц. Эти понятия помогают отличать свойства частицы от её состава.

Дальше классификация понадобится при изучении кварковой модели, рождения и аннигиляции частиц. Она связывает наблюдаемые превращения с современной картиной микромира.

Что запомнить

• Число известных частиц росло благодаря экспериментам на ускорителях.
• Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
• Адроны участвуют в сильном взаимодействии и состоят из кварков.
• Мезон состоит из кварка и антикварка.
• Барион состоит из трёх кварков.
• Античастицы учитывают отдельно, если считают полное число видов частиц.
• Понятие элементарной частицы связано с современным уровнем знаний о внутреннем строении.