Элементарные и составные частицы

Атомарная гипотеза строения вещества, согласно которой сложные образования составлены из элементарных, т.е. неделимых, частиц восходит к идеям Левкиппа и Демокрита, живших в V в. до н.э. В процессе развития науки эта гипотеза постоянно уточнялась. На сегодняшний день элементарными частицами считаются кварки и лептоны. Для начала обратимся к кваркам (табл. 2.6).

Таблица 2.6

Параметры кварков

Окончание табл. 2.6

Примечание. М — масса (в МэВ/с²). Один элсктронвольт (рус. — эВ, англ. — eV) равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В. Мегаэлектронвольт равен И)⁶ электронвольт, 1 гигаэлектронвольт равен 1()⁹ электрон вольт; J — спин, собственный момент импульса элементарных частиц, кратный постоянной Планка; В — барионное число; применительно к составным частицам оно равно одной третьей от разницы числа кварков и аитикварков; Q — электрический заряд, представлен в единицах, кратных заряду электрона; 1₂ — изоспин, безразмерное число, используемое для характеристики частиц с различным зарядом, при равенстве всех других квантовых параметров; С — очарование, безразмерная величина, равная разности очарованных кварков и очарованных антикварков; S — странность, безразмерная величина, равная разнице числа странных аитикварков и странных кварков; Т — истинность, безразмерное квантовое число, которое равно разнице истинных кварков и истинных антикварков; В' — прелесть, безразмерное число, равное разнице числа прелестных антикварков и прелестных кварков.

Отметим также, что значения пяти квантовых параметров, а именно I_v С, S, Г, В задают аромат. Шести типам кварков соответствуют шесть ароматов. Лроматовые параметры позволяют характеризовать своеобразие составных частиц. Поскольку это своеобразие определяется кварками, то они как раз им и приписываются.

Различают три поколения кварков, которые отличаются друг от друга только массой и ароматом, все остальные характеристики, а именно./, В и Q, являются одинаковыми. Каждый тип кварка существует в двух разновидностях — как частица и античастица. Антикварк обладает той же самой массой и спином, что кварк, но все его зарядовые характеристики, в частности электрический заряд, имеют противоположные характеристики.

Все составные частицы состоят из кварков. Те частицы, которые состоят из трех кварков, называются бозонами (название принято в честь индийского физика Ш. Бозе). Те же частицы, которые состоят из двух кварков, называются мезонами (от греч. to meson — то, что находится посредине). Так, протон (р) состоит из двух w-кварков и одного ^/-кварка: р = uud (рис. 2.7); в отличие от него я⁺-мезон состоит всего из двух кварков, г/-кварка и анти

d): п⁺ = ud. Барионы и мезоны состоят из кварков, наложение цветов которых образует бесцветную частицу. В случае мезонов два кварка обладают антицветом, например красным и антикрасным, которые в сумме дают также бесцвет.

Так как все кварки обладают полуцелым спином, то таким же является спин всех барионов. Иначе говоря, и кварки, и составленные из них бари- оны являются фермионами. Мезоны же обладают целочисленным спином, т.е., по определению, они являются бозонами. Барионы и мезоны называются адронами (от греч. hadros — крупный массивный). Термин «адрон» был предложен русским физиком Л. Б. Окунем в 1962 г.

Рис. 2.7. Структура протона

Гипотеза о существовании кварков была впервые сформулирована американскими физиками М. Гелл-Маном и Дж. Цвейгом в 1964 г. Оба они плодотворно занимались изучением систематики элементарных частиц. К новым идеям они пришли далеко не случайно. В рамках данной книги, однако, нет возможности описать в деталях путь, который привел к гипотезе кварков. Как бы то ни было, уже в 1968 г. были экспериментально обнаружены верхний и нижний кварки, последним был открыт истинный кварк (1995).