Элементарные частицы

Конспект лекции

Аннотация: знакомство с историей открытия, свойствами элементарных частиц. Традиционное изложение темы.

Содержание

• Первое поколение элементарных частиц (электрон, протон, нейтрон, нейтрино, фотон)
• Второе поколение элементарных частиц (мюон, π-мезон, странные частицы)
• Третье поколение элементарных частиц (J/Ψ-частица, Υ-бозон ... )
• Классификация элементарных частиц
• Поиски кварков
• Таблица свойств элементарных частиц
• Стандартная модель

 

100 лет назад были известны 3 элементарные частицы, сейчас (2020 год) более 350.

Термин "элементарные" первоначально предполагал, что эти частицы - кирпичики материи, которые не имеют внутренней структуры. На данный момент считаются бесструктурными только некоторые частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.). Рассмотрим все по порядку.

Первое поколение элементарных частиц (электрон, протон, нейтрон, нейтрино, фотон)

Электрон

У.Крукс в своих опытах по пропусканию электрического тока через разреженные газы исследовал свойства излучения, испускаемого с катода. Это излучение

• вызывает свечение некоторых веществ
• обладает кинетической энергией, так как заставляет вращаться вертушку, установленную на его пути
• отклоняется магнитным полем
• отрицательно заряжено

Крукс полагал, что это заряженные частицы газа.

В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон, проведя опыты по действию на это излучение электрического и магнитного полей, определил скорость частиц, составляющих излучение. Оказалось, что она гораздо меньше скорости света и, следовательно, излучение не могло быть электромагнитной волной (была и такая точка зрения). Измерив массу частиц, ученый пришел к выводу, что лучи состоят из очень легких, отрицательно заряженных частиц. Он назвал эти частицы "корпускулами", позднее прижилось название "электрон".

В 1906г. Дж. Томсону присуждена Нобелевская премия:

(за заслуги в его теоретических и экспериментальных исследованиях электропроводности газов)

Можно считать днем рождения электрона 30 апреля 1897 года — дату доклада Томсоном полученных им результатов на заседании Лондонского королевского общества.

Масса электрона m_e = 9.1·10^-31 кг, заряд e = 1.6·10^-19 Кл, спиновое квантовое число s = 1/2, магнитный момент μ_e = 1.00116 μ_Б, где μ_Б - магнетон Бора, четность положительная.

Протон

Э.Резерфорд проводил опыты с источником α-частиц, помещенном в камеру, которая могла наполняться разными газами. В стенке камеры напротив источника сделано отверстие, закрытое фольгой. Толщина фольги превышала пробег α-частиц. Экран из сернистого цинка устанавливался вне камеры для наблюдения сцинтилляций, вызываемых частицами, покидающими камеру. Это, например, "быстрые атомы, образующиеся при прохождении α-частиц через водород". Э.Резерфорд выяснил, что при заполнении камеры азотом появлялись частицы с аномально большим пробегом. Из результатов опытов стало ясно, что частицы, вызывающие сцинтилляции, возникают в объеме газа. Вывод Э.Резерфорда: "На основе полученных результатов трудно удержаться от заключения, что длиннопробежные атомы, возникающие при столкновениях α-частиц с азотом, это не атомы азота, а, по-видимому, атомы водорода или атомы с массой 2. Если это действительно так, то мы должны сделать вывод, что атом азота распадается под действием громадных сил, развивающихся при близком столкновении с быстрой α-частицей, и что освобождающийся атом водорода образует составную часть атома азота". В таких осторожных выражениях Э.Резерфорд в 1919 году сообщил об открытии частицы, названной им протоном.

Первая ядерная реакция превращения азота в кислород, выполненная Резерфордом на данной установке выглядит так

.

Масса протона m_p = 1.673·10^-27 кг, заряд q_p = 1.6·10^-19 Кл, спиновое квантовое число s = 1/2, магнитный момент μ_p = 2.7928 μ_Б, четность положительная.

Фотон

Фотон – элементарная частица, лишенная массы покоя и электрического заряда, но обладающая энергией и импульсом. Это квант электромагнитного поля, которое осуществляет взаимодействие между заряженными частицами. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Появился в теории М.Планка (1900 г.), объясняющей спектр абсолютно черного тела, утвердился в работах А.Эйнштейна по фотоэффекту (1905 г.). Эйнштейн показал, исходя из справедливости закона излучения абсолютно чёрного тела, что квант энергии должен также обладать импульсом. Импульс фотона был обнаружен экспериментально Артуром Комптоном (эффект Комптона).

Масса фотона m_γ = 0, заряд e = 0, спиновое квантовое число s = 1, магнитный момент μ_e = 1.00116 μ_Б, где μ_Б - магнетон Бора, четность положительная.

Нейтрон

В 1930 г. Боте и Беккер обнаружили, что при облучении бериллия и лития α-частицами они испускают излучение, очень слабо поглощаемое свинцом. Слабое поглощение внушило предположение, что это γ-излучение. Далее Ирен и Фредерик Жолио-Кюри было обнаружили, что это излучение выбивает из парафина протоны с энергией 4.3 МэВ. Их следы наблюдали в камере Вильсона. Предположили, что протоны выбиваются γ-квантами за счет эффекта, аналогичного комптон-эффекту. Расчеты показали, что такой процесс не согласуется с законом сохранения энергии.

Открытие нейтрона (27 февраля 1932) принадлежит физику Джеймсу Чадвику, который объяснил результаты опытов В. Боте и Г. Беккера. Он провёл серию экспериментов, в которых он показал, что гамма-лучевая гипотеза несостоятельна. Чадвик предположил, что это излучение состоит из незаряженных частиц с массой, близкой к массе протона, и провёл измерения, подтвердивших эту гипотезу. Эти незаряженные частицы были названы нейтронами. Интересно, что ранее Чадвик безуспешно пытался обнаружить нейтроны при электрических разрядах в водороде.

Ядерная реакция, в которой происходило образование нейтрона, выглядит так

.

Открытие нейтрона отмечено присуждением в 1935 году Джеймсу Чадвику Нобелевской премии:

Масса нейтрона m_n = 1.6749·10^-27 кг, заряд q_n = 0, спиновое квантовое число s = 1/2, магнитный момент μ_p = -1.913 μ_Б, четность положительная.

Нейтрино

Гипотеза о существовании нейтрино была выдвинута швейцарским физиком В.Паули в 1930 для объяснения свойств β-распада ядер. Сложности были в кажущемся несоблюдении закона сохранения энергии. Паули писал "Я допускаю, что мой прием может на первый взгляд показаться довольно невероятным, потому, что, если бы нейтрино существовало, то оно давно было бы открыто. Тем не менее, кто не рискует, тот не выигрывает. Поэтому мы должны обсуждать любой путь к спасению."

Возможность экспериментально обнаружения нейтрино (точнее антинейтрино, у которого импульс и спин направлены в одну сторону) появилась только после открытия деления ядер и развития реакторостроения. Атомный реактор является мощным источником нейтронов, которые распадаются с испусканием антинейтрино по схеме

В 1956 г. Ф.Райнесу и К.Коэну (США) удалось в результате сложного эксперимента доказать существование антинейтрино. Как предсказывал В. Паули, нейтрино имеет очень маленькое сечение взаимодействия с веществом σ ~ 10^-47 м². Свидетельством существования антинейтрино явилось наблюдение реакции

В больших баках (2) (объем ~ 1400 л) находился жидкий сцинтиллятор, (3) - это водяные мишени ( ~ 200 л). Баки просматривались фотоумножителями (4). Позитроны быстро замедлялись и аннигилировали с электронами e⁺ + e^- -> γ + γ. Два кванта, разлетающиеся в противоположные стороны, регистрируются сцинтилляционными детекторами, включенными в схему совпадений (первый импульс на рис.1). Нейтроны замедляются (~10 мкс), захватываются ядрами кадмия. Последние, переходя в основное состояние, излучают γ-кванты. Их регистрация дает второй импульс (рис.1).

Все эти сложности нужны, чтобы выделить очень редкие полезные события на громадном фоне сигналов, не связанных с регистрацией антинейтрино. Итак, событие состоялось, если одновременно два детектора регистрировали импульсы от γ-квантов с энергией 0.511 МэВ, а затем через 10 мкс фиксировалось γ-излучение возбужденного ядра кадмия. После примерно 1400 часов работы скорость счета антинейтрино составила (2.88±0.22) импульса в час.

Важность экспериментального подтверждения существования нейтрино подчеркнута присуждением в 1995 году Ф. Райнесу Нобелевской премии (К.Коэн не дожил до этого времени):

(за обнаружение нейтрино)

Масса нейтрино m_ν ~ 0 (если не 0, то обязательно много меньшей массы электрона), заряд q_ν = 0, спиновое квантовое число s = 1/2, магнитный момент μ_ν = < 10^-10μ_Б.

Возник вопрос: нейтрино и антинейтрино - это разные частицы? Если это одна и та же частица, должны идти обе реакции

Для проверки первой источником антинейтрино мог служить атомный реактор. Так как в природе нет нейтронных мишеней, эксперимент можно было поставить только на нейтронах, входящих в состав атомного ядра. В 1946 г. Б. Понтекорво предложил использовать для этой цели реакцию:

Один из нейтронов, входящих в состав ядра ³⁷Cl, превращается в протон, что приводит к образованию радиоактивного изотопа ³⁷Ar с периодом полураспада 35.04 суток. Такой эксперимент был поставлен в 1956 году P. Дейвисом в Брукхейвене (США). В качестве мишени использовалось около 4000 литров раствора четыреххлористого углерода. Каждый сеанс облучения продолжался 2 месяца. Аргон не был обнаружен! Вывод - нейтрино, образующиеся в результате β⁺- и β^--распадов разные частицы – они являются частицей и античастицей.

 

Второе поколение элементарных частиц (мюон, π-мезон, странные частицы)

Мюон

Год открытия - 1937. Искали носителя ядерного взаимодействия, анализируя состав космических лучей. К.Андерсон обнаружил частицы, которые при прохождении в магнитном поле отклонялись в меньшей степени, чем электроны, но сильнее, чем протоны. Было сделано предположение, что их электрический заряд был равен заряду электрона, и для объяснения различия в отклонении было необходимо, чтобы эти частицы имели промежуточную массу (лежащую где-то между массой электрона и массой протона). Однако было выяснено, что мюон не вступает в сильные взаимодействия, и некоторое время (до открытия π-мезона) это поведение мюона оставалось загадкой. Масса мюона m_μ ~ 270m_e, аналог электрона по всем свойствам, кроме массы. Мюон - частица нестабильная, время жизни 2.2·10^-6 сек.

Отрицательно заряженный и положительно заряженный мюоны являются частицей и античастицей.

Пион (π-мезон)

Поиски частиц, ответственных за ядерное взаимодействие продолжались. Больших ускорителей для рождения частиц в то время не было, единственный источник - космические лучи. И в 1947 году в ядерных фотоэмульсиях, облученных космическими лучами на большой высоте над поверхностью Земли, найдены треки частиц, свидетельствующие о распаде новой частицы - пиона

В 1950 году С. Ф. Пауэллу присвоена Нобелевская премия за разработку метода фотоядерных эмульсий и открытие π-мезонов в космических лучах

В лабораторных условиях заряженные пионы были впервые получены через год на ускорителе в Беркли (США).

Пионы - группа из трёх нестабильных элементарных частиц — двух заряженных (π⁺ и π^-) и одной нейтральной (π⁰). Заряженные распадаются на мюон такого же заряда и мюонное нейтрино или антинейтрино, а нейтральный за счёт электромагнитного взаимодействия на два γ-кванта.

Массы заряженных пионов равны m_π = 264·m_e, а масса нейтрального чуть больше 273·m_e. Время жизни заряженных ~10^-6 с, а нейтрального ~10^-16 с. Пионы участвуют во всех известных типах взаимодействий элементарных частиц: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном. Действующие между нуклонами (протонами и нейтронами) в ядре силы обусловлены обменом пионами.

После открытия пионов и схемы их распада возник вопрос - электронное нейтрино ν_e и мюонное ν_μ это одна и та же частица или они разные? В опытах Л. Ледермана и др. в 1962 году было показано, что мюонное нейтрино отличается от электронного. Было показано, что во взаимодействиях нейтрино, образующихся при распаде пионов, с ядрами мишени рождаются мюоны:

и не происходит генерации электронов.

Странные частицы

В течение 10 лет после открытия пиона в результате изучения космических лучей и экспериментов на ускорителях таблица частиц начала быстро пополняться новыми частицами. Новые частицы обладали двумя особенностями - они рождались парами и имели большое время жизни (~10^-10 с, а не характерное для ядерных взаимодействий 10^-22 - 10^-23 с). Например, при столкновении двух протонов наблюдалась реакция

в которой рождались две странные частицы Λ-частица и K⁺-мезон, которые затем распадались

Для того чтобы объяснить такое поведение странных частиц М. Гелл-Манн и К. Нишиджима высказали предположение, что странные частицы являются носителем еще одного нового свойства, которое было названо странностью. Странность сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых взаимодействиях. Эта закономерность позволила сразу объяснить и парное рождение странных частиц в реакции сильного взаимодействия (см. выше реакция p + p) и большое время жизни частицы при распаде, происходящем за счет слабого взаимодействия.

Среди вновь открытых странных частиц оказались частицы, имеющие массу покоя больше массы покоя нуклона. Эти частицы были названы гиперонами. К ним относятся Λ, Σ⁰, Σ⁺, Σ^-, Ξ⁰, Ξ^-, Ω^-.

Третье поколение элементарных частиц (J/Ψ-частица, Υ-бозон ...)

В 1974 году одновременно две группы физиков объявили о наблюдении новой частицы - J/Ψ.

Группа С.Тинга на ускорителе со встречными электронно-позитронными пучками в Стэнфорде (США) наблюдала J/Ψ-частицу как резонанс в сечении реакции e⁺ + e^- ⇒ адроны при энергии E ~ 3.1 ГэВ.

Группа Б. Рихтера на протонном ускорителе в Брукхейвене (США) измеряла энергетический спектр e⁺ + e^- пар, образующихся при бомбардировке бериллиевой мишени высокоэнергетичными протонами p + Be ⇒ e⁺ + e^-. В спектре масс e⁺ + e^- наблюдался узкий пик шириной 87 кэВ при энергии E ~ 3.1 ГэВ. Поэтому обнаруженная частица и получила двойное название J/Ψ. Ее масса 3,096 ГэВ. Замечательная особенность вновь открытой частицы состоит в ее относительно большой долговечности. Время жизни J/Ψ-частицы почти в 1000 раз больше, чем у известных частиц такой массы. Этот факт, как и в случае странных частиц, указывает на запрет по какому-то новому квантовому числу. В результате было введено новое квантовое число - с, названное очарованием (charm). Ему соответствует новый кварк с. Частицы с очарованием, отличным от нуля, называются очарованными. Очарование подобно странности сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется при слабых. J/Ψ-частица - связанное состояние с кварка и антикварка. Эта частица относится к мезонам (см. ниже).

В 1976 году Б. Рихтеру и С.Тингу присвоена Нобелевская премия за открытие тяжелой элементарной частицы нового типа.

Похожая методика эксперимента (поэтому уже не отмечена Нобелевской премией) привела к открытию нового кварка b. Новый мезон, обозначенный через Υ открыт в 1977 г. в Батавии (США). Он возникал при бомбардировке мишени из меди и свинца пучком протонов с энергией 400 ГэВ. Этот сверхтяжелый мезон при массе 9460 ГэВ характеризовался относительно малой шириной (около 0.04 МэВ). Свойства новой частицы не укладывались в схему четырехкварковой модели, и пришлось ввести пятый кварк b, который был назван прелестным (или красивым) и новое квантовое число красота. Красота сохраняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях и может нарушаться при слабых. b-Кварк является тяжелым аналогом d и s кварков. b-Кварк порождает новое семейство адронов, имеющих в своем составе этот кварк или антикварк

Классификация элементарных частиц

Время шло, количество открытых частиц быстро росло. Встал вопрос об их классификации.

Во-первых, все частицы делятся на бозоны, у которых спин целый, и фермионы с полуцелым спином. Бозоны не ограничены принципом исключения Паули. Распределение энергии этих частиц можно описать, используя статистику Бозе-Эйнштейна. Важно что нет ограничений на количество бозонов, которые занимают одно и то же квантовое состояние. Волновая функция, которая описывает набор бозонов, должна быть симметричной относительно обмена одинаковыми частицами. В отличие от бозонов, два фермиона не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. Кроме того, волновая функция, описывающая совокупность фермионов, должна быть антисимметричной по отношению к обмену одинаковыми частицами.

Далее делим по типу взаимодействия:

• ЛЕПТОНЫ (название от слова легкий, хотя открытый позднее τ-лептон оказался тяжелей протона). Заряженные лептоны испытывают электромагнитное взаимодействие, и все слабое взаимодействие. К лептонам относятся электрон e^-, мюон μ^-, τ^--лептон и соответствующие им нейтрино ν_e, ν_μ, ν_τ. Каждой из них соответствует своя античастица. Все эти частицы в настоящее время бесструктурные. Размер, например, электрона меньше, по крайней мере, 10^-18 м - точечная частица (а собственный момент количества движения такой же, как и протона!).
• АДРОНЫ (от слов большой, сильный) испытывают четыре типа взаимодействия, в том числе и сильное. Когда наряду с протоном и нейтроном было открыто несколько десятков "элементарных" частиц, стало ясно, что эти "элементарные" частицы состоят из более фундаментальных частиц. В 1964 г. независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили составную кварковую модель адронов, подтвержденную последующими исследованиями. Все известные адроны состоят из шести типов кварков, обозначаемых буквами u(up), d (down),s (strange),c (charm),b (bottom),t (top). Кварки - бесструктурные частицы, обладающие дробным электрическим зарядом, кратным e/3, и не наблюдаемые в свободном состоянии. Спин кварка равен 1/2 (фермион).

  В 1969 году М. Гелл-Манну присвоена Нобелевская премия за развитие теории кварков и субатомных взаимодействий

  
  1950

  MURRAY GELL-MANN for his contributions and discoveries concerning the classification of elementary particles and their interactions.
  
  

  Адроны делятся на две большие группы

  • БАРИОНЫ состоят из трех кварков. Например, протон - {uud}, а нейтрон - {udd}. Омега-минус гиперон Ω^- - {sss}. Чтобы не нарушался принцип Паули (три частицы со спином 1/2), кварки должны отличаться каким-то свойством. Его назвали цветом. Цветов три - красный, синий, зеленый. Конечно же, кварки не имеют цвета в традиционном понимании, просто такое название сложилось исторически для обозначения их определенного свойства. Получается, что если взять красный, зеленый и синий, мы получим белый, то есть нейтральный. Все наблюдаемые адроны бесцветны. Античастицы кварков – антикварки. Кварки внутри адронов связаны обменом глюонами (от английского клей). Глюон - переносчик сильного взаимодействия. Особенности взаимодействия глюонов и кварков таковы, что величина (константа) сильного взаимодействия растет с увеличением расстояния между кварками (привычно, что с увеличением расстояния энергия взаимодействия убывает). При испускании или поглощении глюона кварки изменяют свой цвет. Всем барионам присваивается квантовое число - барионный заряд B, равный 1 (у античастиц соответственно B = -1). Это присвоение имеет смысл, т.к. барионный заряд сохраняется во всевозможных превращениях.

    Характеристики кварков

    Характеристика	Тип кварка
    	d	u	s	c	t	b
    Электрический заряд Q, в единицах е	-1/3	2/3	-1/3	2/3	-1/3	2/3
    Барионный заряд B	+1/3
    Спин J	1/2
    Четность P	+1
    Странность s	0	0	-1	0	0	0
    Очарование (charm) c	0	0	0	+1	0	0
    Bottom b	0	0		0	-1	0
    Top t	0	0	0	0	0	+1

    
  • МЕЗОНЫ представляют собой связанное состояние кварка и антикварка (связь осуществляется посредством квантов сильного взаимодействия - глюонов). Как и все адроны, мезоны бесцветны. Что это значит? Мезон может быть образован кварком и антикварком разных типов, но всегда сочетает цвет и антицвет. Например, π⁺-мезон образуется парой u-кварк – анти-d-кварк (u߬d), а сочетание их цветных зарядов может быть «синий – антисиний», «красный – антикрасный» либо «зеленый – антизеленый». Так как мезон составлен из двух кварков с s = 1/2, суммарный спин может быть только S = 1 (параллельные спины) или S = 0 (антипараллельные спины). Мезоны имеют барионный заряд B = 0.

    К мезонам относятся π-мезоны (пионы), каоны и другие. Все мезоны - нестабильные частицы. Как указано выше, обменом π-мезонами осуществляется взаимодействие протонов и нейтронов в ядрах.

    На снимке справа, выполненном в пузырьковой камере "Мирабель" (ИФВЭ), практически прямые следы - это следы потока быстрых K⁺-мезонов. Один из них в результате взаимодействия с протоном образовал целую группу новых частиц. Камера находилась в магнитном поле, и частицы с зарядами разных знаков разворачиваются в разные стороны.

• ПОИСКИ КВАРКОВ

  Закон сохранения заряда предполагает, что кварки должны быть стабильными. Вскоре после гипотезы Гелл-Манна экспериментаторы энергично начали охоту за свободными кварками, и это продолжалось нескольких лет. Искали в земной породе, в космических лучах, в метеоритах, в лунном грунте и в экспериментах на ускорителях. Но все поиски дали отрицательный результат.

  Первые доказательства существования кварков в протоне были получены в 1968-1969 гг. в серии экспериментов на трехкилометровом линейном ускорителе электронов SLC (Стэнфорд, Калифорния, США). Энергия электронного пучка этого ускорителя была 20 ГэВ. Электроны бомбардировали протоны. Электроны не участвуют в сильном взаимодействии. Они легко проникают вглубь протона. Рассеяние происходит за счет электромагнитных сил. Углы рассеяния электронов чувствительны к распределению

  

  электрического заряда внутри протона. И как в свое время Резерфорду при рассеянии α-частиц удалось показать, что в атоме есть ядро, так и этих экспериментах рассеяние электронов на бо́льшие углы, чем ожидалось при непрерывном распределении заряда внутри нуклона, говорило о наличие внутри нуклона заряженных объектов, несущих значительную часть массы нуклона и имеющих размеры много меньшие размера нуклона.

  Другим доказательством существования кварков явилось предсказанное образование струй адронов при лобовом столкновении электронов и позитронов высоких энергий (7-22 ГэВ). На рисунке слева γ-квант, рожденный сталкивающейся парой, образует две струи мезонов.

  Сегодня физики склоняются к тому, что в свободном состоянии кварков нет. Говорят о пленении (конфайнменте) кварков в адронах. При попытке отделить один кварк от другого потенциальная энергия взаимодействия между кварками будет возрастать при их отдалении: V(r) ~ r. За счет этой энергии рождается пара кварк-антикварк (т.е. мезон), так что свободные кварки никогда не смогут вылететь.

 

В таблицу помещены только относительно долгоживущие частицы. Сотни короткоживущих, так называемых резонансов, в таблицу не попали. Последние распадаются в основном в результате сильного взаимодействия за время 10^-22 - 10^-24 с.

Таблица свойств элементарных частиц (с сайта physics.ru)

Группа		Название частицы	Символ		Масса (в электронных массах)	Электрический заряд	Спин	Время жизни (с)
			Частица	Античастица
Фотоны		Фотон	γ		0	0	1	Стабилен
Лептоны		Нейтрино электронное	νe		0	0	1/2	Стабильно
		Нейтрино мюонное	νμ		0	0	1/2	Стабильно
		Электрон	e–	e+	1	–1      1	1/2	Стабилен
		Мюон	μ–	μ+	206,8	–1      1	1/2	2,2·10–6
Адроны	Мезоны	Пи-мезоны	π0		264,1	0	0	0,87·10–16
			π+	π–	273,1	1      –1	0	2,6·10–8
		К-мезоны	K +	K –	966,4	1      –1	0	1,24·10–8
			K 0		974,1	0	0	≈ 10–10–10–8
		Эта-нуль-мезон	η0		1074	0	0	≈ 10–18
	Барионы	Протон	p		1836,1	1      –1	1/2	Стабилен
		Нейтрон	n		1838,6	0	1/2	898
		Лямбда-гиперон	Λ0		2183,1	0	1/2	2,63·10–10
		Сигма-гипероны	Σ +		2327,6	1      –1	1/2	0,8?10–10
			Σ 0		2333,6	0	1/2	7,4·10–20
			Σ –		2343,1	–1      1	1/2	1,48·10–10
		Кси-гипероны	Ξ 0		2572,8	0	1/2	2,9·10–10
			Ξ –		2585,6	–1      1	1/2	1,64·10–10
		Омега-минус-гиперон	Ω–		3273	–1      1	1/2	0,82·10–11

 

Отдельную группу в таблице составляет ФОТОН - квант электромагнитного взаимодействия. В квантовой теории любое взаимодействие описывается в терминах обмена специфическими квантами (бозонами), соответствующими данному типу взаимодействия. Для сильного взаимодействия между кварками это ГЛЮОН, для слабого - это три частицы W⁺, W^- и Z⁰ - бозоны. Последние были впервые обнаружены в 1983 г. на коллайдере (ЦЕРН) коллективом под руководством Карла Руббиа.

В 1984 году К.Руббиа и С.Мииру присвоена Нобелевская премия за вклад в проект, приведший к открытию квантов слабого взаимодействия.

Этому предшествовала гипотеза С. Вайнберга, А. Салама, Ш. Глэшоу (Нобелевские лауреаты, 1979 г.) о том, что электромагнитные и слабые взаимодействия могут быть объединены в единую электрослабую теорию.

И наконец, гравитационные взаимодействия переносятся ГРАВИТОНОМ – частицей с нулевой массой и спином, равным 2.

Современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц называется СТАНДАРТНОЙ МОДЕЛЬЮ. Она базируется на квантовой электродинамике (описывает процессы, происходящие под действием электромагнитных сил), квантовой хромодинамике (описывающей процессы сильных взаимодействий) и теоретических и экспериментальных результатах исследований свойств частиц.

Фермионы (s = 1/2)				Бозоны (s = 1)
кварки	u	c	t	γ (фотон)
	d	s	b	g (глюон)
лептоны	νe	νμ	ντ	Z0
	e-	μ-	τ-	W±

 

Подсчитаем: 6 кварков трех цветов с антикварками - это 36 плюс 12 лептонов и антилептонов, всего 48. Учтем бозоны - переносчики взаимодействий: 8 глюонов с разным сочетанием цветов плюс 4 получается 12. Всего 60! Не слишком и много для всей известной вселенной.

К этим частицам надо еще добавить новую скалярную частицу - бозон Хиггса.

На семинаре в ЦЕРНе в 2012 году было осторожно сказано: открыта новая частица и ее свойства согласуются с предсказанными свойствами бозона Хиггса. Бозон Хиггса — тяжелая частица. Его масса — 125 ГэВ/c² (у протона, например, чуть меньше 1 ГэВ/c²). Спин равен нулю. Бозон Хиггса распадается в среднем за 10^-22 с. Детектируется он по продуктам распада. На Большом Адронном Коллайдере наблюдали распад бозона Хиггса на два γ-кванта, набрав достаточную статистику (а это весьма редкое событие), нашли массу этой частицы. Результат на графике

Наблюдали и распад на четыре лептона. Бозон Хиггса может помочь объяснить, каким образом фундаментальные частицы приобретают массу.

В 2013 году Р. Хиггсу и Ф. Энглеру присвоена Нобелевская премия за открытие, приведшее к пониманию происхождения появления масс у субатомных частиц.

Обратите вниманиие на количество Нобелевских премий за открытия в физике элементарных частиц. Это говорит о значении этой области знания для человечества.

В заключение послушать и посмотреть (примерно 15 минут):