Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые на данный момент на практике невозможно расщепить на составные части .

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы ( электрон , нейтрино , кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы . Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы , в том числе частицы, составляющие ядро атома — протоны и нейтроны ) имеют сложную внутреннюю структуру, но тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно по причине эффекта конфайнмента .

Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются по экспоненциальному закону с постоянной времени от приблизительно 880 секунд (для свободного нейтрона ) до ничтожно малой доли секунды (от 10 ⁻²⁴ до 10 ⁻²² с для резонансов ).

Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц .

Все элементарные частицы подчиняются принципу тождественности (все элементарные частицы одного вида во Вселенной полностью одинаковы по всем своим свойствам) и принципу корпускулярно-волнового дуализма (каждой элементарной частице соответствует волна де-Бройля ).

Все элементарные частицы обладают свойством взаимопревращаемости, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы и их совокупности, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии , импульса, момента импульса, электрического заряда, барионного заряда и др.

Основные характеристики элементарных частиц: время жизни , масса , спин , электрический заряд , магнитный момент , барионный заряд , лептонный заряд , странность , очарование , прелесть , истинность , изотопический спин , чётность , зарядовая чётность , G-чётность , CP-чётность , T-чётность , R-чётность , P-чётность .

Классификация

По времени жизни

Все элементарные частицы делятся на два класса:

• Стабильные элементарные частицы — частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии ( протон , электрон , нейтрино , фотон , гравитон и их античастицы).
• Нестабильные элементарные частицы — частицы, распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии за конечное время (все остальные частицы).

По массе

Все элементарные частицы делятся на два класса:

• Безмассовые частицы — частицы с нулевой массой ( фотон , глюон ).
• Частицы с ненулевой массой (все остальные частицы).

По величине спина

Все элементарные частицы делятся на два класса:

• бозоны — частицы с целым спином (например, фотон , глюон , мезоны , бозон Хиггса );
• фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон , протон , нейтрон , нейтрино ).

По видам взаимодействий

Элементарные частицы делятся на следующие группы:

Составные частицы

• Адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий . Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
  • мезоны — адроны с целым спином , то есть являющиеся бозонами ;
  • барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы . К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома , — протон и нейтрон .

Фундаментальные (бесструктурные) частицы

• Лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10 ⁻¹⁸ м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов ( электроны , мюоны , тау-лептоны ) и не наблюдалось для нейтрино . Известны 6 типов лептонов.
• Кварки — дробно заряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента ). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
• Калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
  • фотон — частица, переносящая электромагнитное взаимодействие ;
  • восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие ;
  • три промежуточных векторных бозона W ⁺ , W ⁻ и Z ⁰ , переносящие слабое взаимодействие ;
  • гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие . Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц .

Адроны и лептоны образуют вещество . Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.

Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон , предсказанный в 1964 году и обнаруженный в 2012 году на Большом адронном коллайдере .

Размеры элементарных частиц

Несмотря на большое разнообразие элементарных частиц, их размеры укладываются в две группы. Размеры адронов (как барионов, так и мезонов) составляют около 10 ⁻¹⁵ м , что близко к среднему расстоянию между входящими в них кварками. Размеры фундаментальных, бесструктурных частиц — калибровочных бозонов, кварков и лептонов — в пределах погрешности эксперимента согласуются с их точечностью (верхний предел диаметра составляет около 10 ⁻¹⁸ м ) ( см. пояснение ). Если в дальнейших экспериментах окончательные размеры этих частиц не будут обнаружены, то это может свидетельствовать о том, что размеры калибровочных бозонов, кварков и лептонов близки к фундаментальной длине (которая весьма вероятно может оказаться планковской длиной , равной 1,6·10 ⁻³⁵ м).

Следует отметить, однако, что размер элементарной частицы является достаточно сложной концепцией, не всегда согласующейся с классическими представлениями. Во-первых, принцип неопределённости не позволяет строго локализовать физическую частицу. Волновой пакет , представляющий частицу как суперпозицию точно локализованных квантовых состояний , всегда имеет конечные размеры и определённую пространственную структуру, причём размеры пакета могут быть вполне макроскопическими — например, электрон в эксперименте с интерференцией на двух щелях «чувствует» обе щели интерферометра, разнесённые на макроскопическое расстояние. Во-вторых, физическая частица меняет структуру вакуума вокруг себя, создавая «шубу» из кратковременно существующих виртуальных частиц — фермион-антифермионных пар (см. Поляризация вакуума ) и бозонов-переносчиков взаимодействий. Пространственные размеры этой области зависят от калибровочных зарядов , которыми обладает частица, и от масс промежуточных бозонов (радиус оболочки из массивных виртуальных бозонов близок к их комптоновской длине волны , которая, в свою очередь, обратно пропорциональна их массе). Так, радиус электрона с точки зрения нейтрино (между ними возможно только слабое взаимодействие) примерно равен комптоновской длине волны W-бозонов , ~3×10 ⁻¹⁸ м , а размеры области сильного взаимодействия адрона определяются комптоновской длиной волны легчайшего из адронов, пи-мезона ( ~10 ⁻¹⁵ м ), выступающего здесь как переносчик взаимодействия.

История

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи . Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, то есть не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков .

Таким образом, физики продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) применяется термин « фундаментальные частицы» .

В активно разрабатываемой примерно с середины 1980-х теории струн предполагается, что элементарные частицы и их взаимодействия являются следствиями различных видов колебаний особо малых «струн».

Стандартная модель

Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны ( фотон , глюоны , W - и Z -бозоны ), которые переносят взаимодействия между частицами, и обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса , отвечающий за наличие инертной массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью — например, такие, как гравитон (частица, гипотетически переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц. Всего модель описывает 61 частицу .

Фермионы

12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства ( поколения ) по 4 частицы в каждом. Шесть из них — кварки . Другие шесть — лептоны , три из которых являются нейтрино , а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон , мюон и тау-лептон .

Поколения частиц

Первое поколение	Второе поколение	Третье поколение
Электрон : e −	Мюон : μ −	Тау-лептон : τ −
Электронное нейтрино : ν e	Мюонное нейтрино : ν μ	Тау-нейтрино : ${\displaystyle \nu _{\tau }}$
u-кварк («верхний»): u	c-кварк («очарованный»): c	t-кварк («истинный»): t
d-кварк («нижний»): d	s-кварк («странный»): s	b-кварк («прелестный»): b

Античастицы

Также существуют 12 фермионных античастиц, соответствующих вышеуказанным двенадцати частицам.

Античастицы

Первое поколение	Второе поколение	Третье поколение
позитрон : e +	Положительный мюон: μ +	Положительный тау-лептон: τ +
Электронное антинейтрино: ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$	Мюонное антинейтрино: ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{\mu }}$	Тау-антинейтрино: ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{\tau }}$
u -антикварк: ${\displaystyle {\bar {u}}}$	c -антикварк: ${\displaystyle {\bar {c}}}$	t -антикварк: ${\displaystyle {\bar {t}}}$
d -антикварк: ${\displaystyle {\bar {d}}}$	s -антикварк: ${\displaystyle {\bar {s}}}$	b -антикварк: ${\displaystyle {\bar {b}}}$

Кварки

Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии — это объясняется явлением конфайнмента . На основании симметрии между лептонами и кварками, проявляемой в электромагнитном взаимодействии , выдвигаются гипотезы о том, что эти частицы состоят из более фундаментальных частиц — преонов .

Неизвестные частицы

По мнению большинства физиков, существуют неизвестные доселе типы частиц, из которых состоит тёмная материя

См. также

Примечания

Литература

• Лоуренс Краусс. Почему мы существуем. Величайшая из когда-либо рассказанных историй = Krauss. The Greatest Story Ever Told - So Far: Why Are We Here?. — М. : Альпина Нон-фикшн, 2018. — ISBN 978-5-91671-948-2 .
• Главный редактор А. М. Прохоров . Физическая энциклопедия . — М. : Советская энциклопедия .

Ссылки

• , подготовленная сотрудниками физического факультета МГУ им М. В. Ломоносова
• на Scientific.ru
• , подготовленная Particle Data Group (англ.)
• (англ.)