§90. Классификация элементарных частиц

Определения и обозначения

Элементарная частица — частица, которая в принятой физической теории не обнаруживает внутреннего строения или рассматривается как его основной элемент. Слово «элементарная» не означает, что частица обязательно неделима при любых условиях: некоторые частицы, называемые элементарными в широком смысле, могут быть составными. Например, протон устроен из кварков, поэтому его внутренняя структура известна.

Античастица — частица, соответствующая другой частице по массе и спину, но имеющая противоположные значения ряда характеристик, например электрического заряда. Так, античастица электрона — позитрон: их заряды равны по модулю и противоположны по знаку. Это понятие позволяет описывать пары частиц, которые могут возникать и превращаться друг в друга.

Лептон — частица, не участвующая в сильном взаимодействии и не состоящая из кварков. К лептонам относятся электрон, мюон, тау-лептон и нейтрино. Это определение помогает отличать их от составных частиц, которые взаимодействуют сильно.

Адрон — частица, состоящая из кварков и участвующая в сильном взаимодействии. Адроны делятся на барионы, содержащие три кварка, и мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Такая классификация показывает, как устроены протон, нейтрон и другие составные частицы.

Как это устроено

Масса и электрический заряд сами по себе не дают полной картины о частице: частицы с разными внутренними свойствами могут иметь похожие значения этих величин. Поэтому классификация учитывает, как частица взаимодействует с другими и есть ли у неё составные части. Сильное взаимодействие особенно важно для описания частиц, связанных с атомными ядрами. По этому признаку лептоны отделяются от адронов.

Лептоны не испытывают сильного взаимодействия, поэтому в их состав не входят кварки. Электрон относится к лептонам, хотя имеет электрический заряд; нейтрино тоже лептон, хотя его электрический заряд равен нулю. Значит, наличие или отсутствие заряда не служит главным критерием этой группы. Адроны, напротив, построены из кварков и участвуют в сильном взаимодействии.

Разделение адронов на барионы и мезоны определяется кварковым составом. Барион содержит три кварка, как протон или нейтрон. Мезон образован кварком и антикварком; антикварк — античастица кварка. Эти составы различны, поэтому для определения типа адрона нужно выяснить, какие составляющие в нём есть и сколько их.

В классификации учитывают не только частицы, но и соответствующие им античастицы. У электрона есть позитрон, а у протона — антипротон; у пары частица—античастица совпадают масса и спин, но различаются некоторые квантовые характеристики. Электрический заряд может быть противоположным, однако не у всех частиц он есть: нейтральные частицы тоже могут иметь античастицы. Поэтому приставка «анти-» не означает просто отрицательный заряд.

Фотон занимает отдельное место: это квант электромагнитного поля, то есть частица, связанная с электромагнитным взаимодействием. Он не является адроном, потому что не состоит из кварков и не участвует в сильном взаимодействии. Но фотон не относят и к лептонам: это другая группа частиц. Следовательно, деление на лептоны и адроны не охватывает все частицы.

Основные группы частиц и их признаки

Сначала выясните, входит ли частица в состав кварков и участвует ли в сильном взаимодействии: так различают лептоны и адроны. Если перед вами адрон, по кварковому составу определите, барион это или мезон. Фотон не нужно включать ни в одну из этих двух групп.

Разбор задач

Задача 1. Распределите электрон, протон, нейтрон и фотон по группам: лептоны, адроны и частицы, не относящиеся к этим группам.

1. Вспомним признаки: лептоны не участвуют в сильном взаимодействии, адроны состоят из кварков и участвуют в нём.
2. Электрон не состоит из кварков и относится к лептонам.
3. Протон и нейтрон составлены из кварков, поэтому это адроны.
4. Фотон — квант электромагнитного поля, а не лептон и не адрон.

Ответ: электрон — лептон; протон и нейтрон — адроны; фотон не относится ни к лептонам, ни к адронам. Решение основано на строении и взаимодействии, а не на том, находится ли частица в ядре.

Задача 2. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон — из одного u-кварка и двух d-кварков. Установите, к какому типу адронов относится каждая частица.

1. Обе частицы состоят из кварков, следовательно, обе относятся к адронам.
2. В составе протона три кварка: два u и один d.
3. В составе нейтрона также три кварка: один u и два d.
4. Адрон из трёх кварков называется барионом.

Ответ: протон и нейтрон — барионы. Различие в том, какие именно кварки входят в их состав, не меняет тип адрона, поскольку в обоих случаях кварков три.

Задача 3. Мезон состоит из кварка и антикварка. Сравните его состав с составом протона и объясните, к каким классам адронов относятся эти частицы.

1. Сначала определим число и вид составляющих: мезон содержит кварк и антикварк.
2. По определению адрон из кварка и антикварка относится к мезонам.
3. Протон содержит три кварка, поэтому является барионом.
4. Оба объекта — адроны, но относятся к разным классам по кварковому составу.

Ответ: мезон — адрон из кварка и антикварка, протон — адрон-барион из трёх кварков. Не следует считать антикварк обычным кварком: он является соответствующей ему античастицей.

Типичные ошибки

Считать адроны элементарными в том же смысле, что и лептоны. Так могут думать, потому что адроны часто называют частицами и рассматривают как целые объекты. Однако протон и нейтрон имеют кварковый состав, а лептоны кварков не содержат. Проверяйте, говорится ли о фундаментальном строении или о частице как отдельном объекте в задаче.

Относить фотон к лептонам или адронам только потому, что он элементарен. Это смешивает общий статус частицы с признаками конкретной группы. Фотон не состоит из кварков и не участвует в сильном взаимодействии, но лептоном от этого не становится. Сверьте его тип: это квант электромагнитного поля.

Путать барионы и мезоны. Ошибка возникает, если запомнить только, что обе группы относятся к адронам, и не учитывать их состав. Барион содержит три кварка, а мезон — кварк и антикварк. Чтобы проверить себя, отдельно посчитайте составляющие и отметьте, есть ли среди них антикварк.

Считать античастицу просто частицей с отрицательным зарядом. Так можно ошибиться, потому что пример электрона и позитрона связывает антиматерию с переменой знака заряда. Но античастицы могут быть электрически нейтральными и всё равно отличаться противоположными значениями других характеристик. Проверяйте не только заряд, но и то, что речь идёт о соответствующей частице с той же массой и спином.

Связь с другими темами

Для понимания классификации нужны знания об электрическом заряде, фундаментальных взаимодействиях и строении атома и атомного ядра. Они помогают отличить свойства частицы от её положения в веществе и понять, почему протон в ядре остаётся адроном. Далее эта тема понадобится при изучении кварков и ядерных реакций. Она также помогает объяснить рождение частиц и античастиц и их аннигиляцию — взаимное превращение при взаимодействии.

Что запомнить

• Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии.
• Адроны участвуют в сильном взаимодействии и состоят из кварков.
• Барион состоит из трёх кварков.
• Мезон состоит из кварка и антикварка.
• У многих частиц есть соответствующие античастицы.
• Фотон — квант электромагнитного поля, не относящийся к лептонам и адронам.