§ 87*. Фундаментальные элементарные частицы

Определения и обозначения

Фундаментальная элементарная частица — частица, для которой на современном уровне знаний не обнаружена внутренняя структура. Такое определение не является вечным: новые эксперименты могут показать, что объект состоит из более мелких частей. Оно нужно, чтобы отличать первичные составляющие материи от составных частиц.

Лептон — фундаментальная частица, не участвующая в сильном взаимодействии. К лептонам относятся электрон, мюон и нейтрино. Это понятие помогает отделить частицы, не связанные сильным взаимодействием, от адронов.

Кварк — фундаментальная частица, из комбинаций которых состоят адроны. Известны шесть типов кварков: u, d, s, c, b и t; их электрические заряды равны +2/3e или −1/3e, где e — элементарный заряд. Кварковая модель объясняет состав и заряд протонов, нейтронов и других адронов.

Античастица — частица с той же массой, что и соответствующая частица, но с противоположным электрическим зарядом и некоторыми другими квантовыми характеристиками. Например, античастица электрона — позитрон. Понятие античастицы необходимо для описания превращений и аннигиляции пар «частица — античастица».

Как это устроено

По участию в сильном взаимодействии частицы делят на лептоны и адроны. Лептоны его не испытывают, поэтому электрон и нейтрино не состоят из кварков. Адроны, наоборот, связаны сильным взаимодействием: оно удерживает входящие в них кварки.

Адроны делятся на барионы и мезоны по составу. Барион образован тремя кварками, а мезон — кварком и антикварком; такие комбинации дают целое значение барионного числа. Поэтому протон и нейтрон являются барионами, а пионы — мезонами.

Кварковая модель объясняет свойства нуклонов. В протоне два u-кварка и один d-кварк: uud, поэтому его заряд равен 2/3e + 2/3e − 1/3e = +e. В нейтроне один u-кварк и два d-кварка: udd, поэтому заряд равен 2/3e − 1/3e − 1/3e = 0.

Кварки и лептоны объединяют в три поколения, расположенные от более лёгких к более тяжёлым. В первое входят u и d-кварки, электрон и электронное нейтрино; второе и третье поколения включают более тяжёлые аналоги. Устойчивое обычное вещество в основном образовано частицами первого поколения, потому что тяжёлые частицы распадаются.

Фундаментальные взаимодействия различаются частицами, на которые они действуют, и переносчиками. Кварки испытывают сильное взаимодействие, а заряженные лептоны и кварки могут участвовать в электромагнитном; слабое взаимодействие действует и на кварки, и на лептоны. Переносчик электромагнитного взаимодействия — фотон, сильного — глюон, слабого — бозоны W⁺, W⁻ и Z⁰.

Основные классы фундаментальных частиц и составных частиц

В таблице сначала указано, из чего состоит объект, а затем — испытывает ли он сильное взаимодействие. Если в графе стоит «нет», частица относится к лептонам; если «да», это кварк или составной адрон. По структуре можно сразу отличить фундаментальные частицы от барионов и мезонов.

Разбор задач

Задача 1. Определим класс электрона, нейтрино и протона. Нужно использовать не электрический заряд, а участие в сильном взаимодействии и состав частицы. Это позволяет не спутать нейтральный протоноподобный объект с лептоном.

1. Электрон — лептон: он фундаментален и не участвует в сильном взаимодействии.
2. Нейтрино — также лептон; его электрический заряд равен нулю, но это не делает его адроном.
3. Протон состоит из трёх кварков, поэтому является адроном и, точнее, барионом.

Ответ: электрон и нейтрино — лептоны, протон — барион.

Задача 2. Найдём заряды протона uud и нейтрона udd. Обозначим элементарный заряд через e и сложим заряды входящих кварков. Верхний кварк имеет заряд +2/3e, нижний — −1/3e.

1. Для протона: q = 2/3e + 2/3e − 1/3e = +e.
2. Для нейтрона: q = 2/3e − 1/3e − 1/3e = 0.
3. Полученные результаты совпадают с названиями частиц: протон заряжен положительно, нейтрон нейтрален.

Ответ: заряд протона равен +e, заряд нейтрона равен 0.

Задача 3. Классифицируем составы uud, u anti-d и ddd и найдём их заряды. Сначала считаем кварки и антикварки: три кварка дают барион, а пара «кварк — антикварк» даёт мезон. Заряд антикварка противоположен заряду соответствующего кварка, поэтому anti-d имеет заряд +1/3e.

1. uud содержит три кварка: это барион, q = 2/3e + 2/3e − 1/3e = +e.
2. u anti-d содержит кварк и антикварк: это мезон, q = 2/3e + 1/3e = +e.
3. ddd содержит три d-кварка: это барион, q = −1/3e − 1/3e − 1/3e = −e.

Ответ: uud — барион с зарядом +e, u anti-d — мезон с зарядом +e, ddd — барион с зарядом −e.

Типичные ошибки

Протон называют фундаментальной частицей. Ошибка возникает из-за его роли в составе атомного ядра. Проверка проста: вспомните состав uud — протон является составным барионом.

Все нейтральные частицы считают нейтрино. Нулевой заряд не определяет класс частицы: нейтрон тоже нейтрален, но состоит из кварков. Нужно выяснить не только заряд, но и состав или участие в сильном взаимодействии.

Барионы путают с мезонами. Оба класса относятся к адронам, поэтому их иногда объединяют без уточнения. Проверьте число составляющих: три кварка означают барион, кварк и антикварк — мезон.

Антикварку приписывают отрицательный заряд всегда. Знак зависит от типа исходного кварка: anti-u имеет −2/3e, а anti-d — +1/3e. Для проверки поменяйте знак заряда соответствующего кварка на противоположный.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об электрическом заряде, элементарном заряде и строении атомного ядра. Особенно важно различать протон и нейтрон, поскольку их состав объясняется разными комбинациями u- и d-кварков. Эти сведения позволяют правильно складывать заряды частиц.

Классификация частиц используется при изучении реакций и превращений в ядерной физике и физике высоких энергий. По составу и квантовым характеристикам можно определить, какие превращения разрешены. Так связываются свойства отдельных частиц и наблюдаемые продукты реакций.

Тема входит в общую картину Стандартной модели элементарных частиц. В ней кварки и лептоны образуют фундаментальные составляющие, а частицы-переносчики описывают взаимодействия. Поэтому классификация подготавливает изучение электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

Что запомнить

• Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
• Кварки входят в состав адронов.
• Барион состоит из трёх кварков, мезон — из кварка и антикварка.
• Протон имеет состав uud, нейтрон — udd.
• Заряды кварков равны +2/3e или −1/3e.
• У каждой частицы есть соответствующая античастица.