10. Элементарные частицы

Определения и обозначения

Элементарная частица — частица, у которой не обнаружена внутренняя структура. Это не обязательно означает, что её строение невозможно раскрыть в принципе: представление об элементарности меняется по мере развития экспериментов. Например, протон когда-то считали элементарным, но позднее выяснили, что он состоит из кварков.

Античастица — частица, соответствующая обычной частице и имеющая ту же массу и спин, но противоположные значения некоторых характеристик. Особенно наглядно это для электрического заряда: у электрона заряд −e, а у позитрона +e. Понятие античастицы помогает описывать процессы рождения и превращения частиц.

Лептон — элементарная частица, не участвующая в сильном взаимодействии. К лептонам относятся электрон и нейтрино, а также мюон, тау-лептон и их нейтрино. Такое название семейства показывает, что частицы объединены не внешним сходством, а общими физическими свойствами.

Кварк — элементарная частица, из комбинаций которой состоят адроны. Протон и нейтрон, например, образованы кварками разных типов. Свободные кварки не наблюдаются: это свойство важно учитывать, когда описывают строение вещества.

Как это устроено

По мере открытия новых частиц их становилось трудно описывать одним перечнем: частицы отличались массой, зарядом, спином и поведением при взаимодействиях. Поэтому физики начали распределять их по группам, опираясь на измеряемые свойства. Такая классификация позволяет не только упорядочить известные частицы, но и предсказывать, какие процессы для них возможны. Она также помогает находить закономерности, скрытые за большим числом отдельных объектов.

Среди основных семейств выделяют лептоны и адроны. Лептоны не испытывают сильного взаимодействия, тогда как адроны участвуют в нём и имеют внутреннее кварковое строение. Адроны делятся на барионы и мезоны: барион состоит из трёх кварков, а мезон — из кварка и антикварка. Значит, это деление отражает не только сходство частиц, но и способ их устройства.

Кварковый состав объясняет, почему протон и нейтрон различаются зарядом. Протон содержит два u-кварка и один d-кварк, а нейтрон — один u-кварк и два d-кварка. Заряд u-кварка равен +⅔e, а d-кварка — −⅓e, где e — элементарный заряд. Поэтому сумма зарядов протона равна +e, а нейтрона — нулю, как и наблюдается в опыте.

Частицы взаимодействуют четырьмя фундаментальными способами: сильным, электромагнитным, слабым и гравитационным. Кварки участвуют в сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях; заряженные лептоны — в электромагнитном, слабом и гравитационном, а нейтрино — в слабом и гравитационном. Сильное взаимодействие связывает кварки в адроны, электромагнитное действует на электрический заряд, а слабое отвечает, например, за некоторые распады. Гравитационное взаимодействие универсально, но на уровне элементарных частиц обычно очень мало по сравнению с остальными.

Столкновения и распады частиц подчиняются законам сохранения. Энергия, импульс и электрический заряд до и после процесса должны иметь одинаковые суммарные значения; для ряда процессов проверяют также барионное и лептонное числа. Эти ограничения позволяют отсеять невозможные варианты, даже если они кажутся правдоподобными по составу частиц. При этом число частиц само по себе не обязано сохраняться: одна частица может распасться на несколько.

Основные семейства элементарных частиц

Читайте таблицу от общего к частному: лептоны и кварки — семейства элементарных частиц, а адроны — составные частицы из кварков. Барионы и мезоны являются двумя разновидностями адронов. Заряд конкретной частицы зависит от её состава, поэтому у целого семейства могут встречаться разные значения.

Разбор задач

Задача 1. Определить семейство частицы, если известно, что это электрон, и указать, участвует ли он в сильном взаимодействии. Нужно сначала найти место электрона в классификации, а затем связать это семейство с характерными взаимодействиями. Не следует делать вывод только по электрическому заряду: заряженными бывают частицы разных семейств.

1. Электрон относится к лептонам.
2. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
3. Наличие заряда означает, что электрон участвует в электромагнитном взаимодействии, но не меняет его принадлежности к лептонам.

Ответ: электрон — лептон, сильного взаимодействия он не испытывает.

Задача 2. Записать кварковый состав протона и нейтрона и проверить, совпадает ли суммарный заряд кварков с зарядом каждой частицы. Проверка особенно полезна, потому что нейтрон нейтрален, хотя в его составе есть заряженные кварки. Используем заряды u-кварка +⅔e и d-кварка −⅓e.

1. Протон имеет состав uud. Его заряд: +⅔e + ⅔e − ⅓e = +e.
2. Нейтрон имеет состав udd. Его заряд: +⅔e − ⅓e − ⅓e = 0.
3. Сравниваем результаты с известными зарядами частиц: протон заряжен положительно, нейтрон нейтрален.

Ответ: протон — uud с зарядом +e; нейтрон — udd с зарядом 0. В обоих случаях сумма зарядов кварков совпадает с зарядом адрона.

Задача 3. Проверить, возможен ли распад нейтрального пиона на два фотона, учитывая электрический заряд и энергию до и после распада. Не нужно требовать, чтобы число частиц оставалось прежним: при распаде оно может измениться. Достаточно проверить, согласуется ли предложенный процесс с указанными законами сохранения.

1. До распада заряд пиона равен нулю. Каждый фотон электрически нейтрален, поэтому суммарный заряд после распада также равен нулю.
2. Покойная энергия пиона переходит в энергию двух фотонов. Их энергии вместе с другими возможными составляющими энергии должны дать исходную энергию.
3. По закону сохранения импульса фотоны разлетаются в противоположных направлениях, если пион распадается в покое.

Ответ: распад возможен и наблюдается. Заряд и энергия сохраняются, хотя вместо одной частицы возникают две.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все элементарные частицы одинаковы по природе. Её допускают, потому что слово «элементарная» может звучать как название единого семейства. Но лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, а кварки служат составными частями адронов. Проверь себя: уточни, к какому семейству относится частица и какую роль она играет.

Ошибка — приписывать античастице противоположную массу или считать противоположными все её свойства. Так происходит из-за слишком буквального понимания слова «анти». Масса и спин у пары одинаковы, а некоторые характеристики, например заряд, имеют противоположные знаки. Для проверки сравнивай каждое свойство отдельно, а не меняй знак у всего сразу.

Ошибка — считать протон и нейтрон элементарными частицами. Их действительно часто рассматривают как частицы атомного ядра, поэтому внутреннее строение можно упустить. Однако оба объекта являются составными адронами, образованными кварками. Проверь себя, записав состав: uud для протона и udd для нейтрона.

Ошибка — полагать, что кварки можно выделить и наблюдать по отдельности. Такое ожидание возникает по аналогии с электронами, которые удаётся обнаружить отдельно. Но кварки связаны сильным взаимодействием и свободными не наблюдаются. Проверяй описание опыта: при попытке разделить кварки возникают новые частицы, а не изолированный кварк.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об электрическом заряде, законе его сохранения, атоме и атомном ядре. Эти понятия позволяют анализировать состав частиц и проверять, согласуются ли процессы с физическими законами. Без них трудно проследить, почему нейтрон нейтрален, хотя состоит из заряженных кварков.

Классификация частиц и законы сохранения используются при изучении радиоактивных распадов и ядерных реакций. Они помогают установить, какие частицы могут возникнуть и какие характеристики процесса должны остаться неизменными. Поэтому навыки проверки законов сохранения применяются далеко за пределами темы о частицах.

Представления о кварках и взаимодействиях служат основой для дальнейшего изучения строения вещества и физики атомного ядра. Они объясняют, почему протоны и нейтроны ведут себя как составные объекты. В дальнейшем эти идеи помогают связать свойства микромира с наблюдаемыми свойствами вещества.

Что запомнить

• Элементарные частицы классифицируют по свойствам и участию во взаимодействиях.
• Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
• Кварки входят в состав адронов и не наблюдаются свободными.
• Протон и нейтрон относятся к барионам.
• Античастица имеет ту же массу, что и соответствующая частица, но противоположный заряд, если он отличен от нуля.
• В процессах с частицами должны выполняться законы сохранения.