Физика элементарных частиц - это отдельный раздел ядерной физики, который имеет огромное значение, поскольку в нем особенно ярко показан диалектический характер преобразования материи с одного вида в другой.
Понятия «элементарные частицы» в прямом смысле этого слова значит первичные, неделящиеся частицы, с которых состоит вся материя. Понятие «элементарные частицы» сформировались в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение того факта, что молекулы состоят с атомов, впервые дало возможность описать все известные вещества как комбинации конечного количества структурных единиц -- атомов. Последующее открытие составляющих элементов атома (электроны и ядра), а потом и сложного строения ядра с протонов и нейтронов дало основания считать, что строение материи заканчивается бесструктурными элементами -- элементарными частицами. такие же суждения представляют собой экстраполяцию известных фактов и не могут быть строго обоснованными.
В современной физике понятие «элементарные частицы» применяется к наименованию большого количества мелких частиц материи, которые не являются атомами. Як показывают исследования, количество элементарных частиц достигает 400.
Отметим также, что в физике элементарных частиц вводится ряд понятий (красота,очарование, цвет), термины которых не имеют никакого отношения к их лексическом значению, в котором они применяются в жизни. Это просто некоторые квантовые числа, которые введены для описания характеристик элементарных частиц.
Естественным источником разных частиц высоких энергий является космическое излучение. С развитием технологий частицы высоких энергий так же получают с помощью ускорителей. Они вместе с детекторами дают возможность изучать процессы, в которых возникают и взаимодействуют различные элементарные частицы. Поэтому физику элементарных частиц называют так же физикой высоких энергий.
Для взаимодействий на достаточно малых расстояниях частицы должны обладать высокой энергией. В ультрарелятивистской области полная энергия частиц связана с ее импульсом соотношением ε≈pc. Тогда соотношение неопределенностей Гейзенберга △p△x≥ℏ примет вид
Для проникновения на расстояния порядка 10−16 м получаем, что энергия должна превышать 1 ГэВ.
Наиболее характерным свойством элементарных частиц является их возможность рождаться и преобразовываться одна в одну при соударениях.
Другая их характерная черта состоит в том, что большинство этих частиц нестабильны. Частицы произвольно распадаются. Среднее время жизни τ частицы в свободном состоянии меняется в пределах от 10−24 с до бесконечности (экспериментально установлено, что время жизни протона составляет τ≥1032 год).
Первую элементарную частицу, электрон, открыл Дж. Дж. Томсон 1897 г. Масса электрона me=9.7⋅10−31 кг. Он обладает отрицательным электрическим зарядом e=−1,602⋅10−19 Кл.
В 1900 году М. Планк и в 1905 году А. Эйнштейн показали, что свет состоит с отдельных порций -- частиц, что получили название фотоны. Масса покоя фотона равняется нолю. Электрический заряд фотона отсутствует.
В 1911 году Э. Резерфорд исследовательским путем открыл протон, масса которого mp=1836,15me Эго электрический заряд положительный и численно равняется заряду электрона.
1928−1929 годах П. Дирак, решая свое уравнение, пришел к выводу, что, кроме электрона, должна существовать подобная к нему частица с положительным зарядом. В 1932 г. К. Андерсон в составе космических лучей нашел такие частицы. Их назвали позитронами. Позитрон -- это первая элементарная частица которую сначала открыли теоретически и только потом на практике.
В 1932 г. Дж. Чедвик открыл нейтрон n, масса которого приблизительно равна массе протонаmn=1838,68me. Электрический заряд протона равен нолю.
Анализируя β -- распад, в 1931−1933 годах В. Паули предусмотрел существование нейтральной частицы, масса которой равняется нолю. Эту частицу назвали нейтрино. В 1956 г. К. Коуен и его сотрудники зарегистрировали антинейтрино.
В 1937 году К Андерсон и С. Неддермайер в космическом излучении обнаружили частицы, которые назвали μ -- мезонами (мюоны). Их масса составляет 206,7me, электрический заряд +e и −−e (μ+, μ−), время жизни ∼2,2⋅10−6 с.
В 1947 году С. Пауэлл и Дж. Оккиалини в космических лучах обнаружили π+ и π− - мезоны, масса которых составляла 273,2me, электрический заряд был равен соответственно +e и −−e, время жизни 2,55⋅10−8 с. В 1950 г. Был открыт нейтральный π -- мезон (π0), масса которого составляет 264,2me, а время жизни,$\
Полной неожиданностью было открытие в конце 40-х и в начале 50-х годов частиц, масса которых превышала массу нуклонов, их назвали гиперонами. Так же были открыты частицы массами больше массы электрона и даже больше массы π -- мезона, но меньше массы нуклона. Их назвали K -- мезонами, или каонами. Каоны существуют в двух зарядовых разновидностях: K+ и K0 и соответственно их античастицы ˜K+ и ˜K0. К гипертонам относял лямбда -- гипертон Λ0, три сигма-гипертоны: Σ+,Σ0,Σ− и два кси-гипертоны: Ξ− и Ξ+.
В 60-х годах с помощью ускорителей было открыто все античастицы, которые соответствуют гипертонам. Все каоны и гипертоны называют странными частицами, по той причине что они обладают необычными свойствами. Они всегда рождаются парами достаточно быстро за время τ∼10−23−10−24 с, а распадаются медленно на протяжении 10−10 с. Для примера приведем некоторые схемы рождения каонов:
В 1955 году открыт антипротон, а 1956 г. -- антинейтрон, существование которых предусмотрел П. Дирак.
В 1964 г. Открыт омега-минус-гипертон Ω−, существование которого так же было предусмотрено теоретически. Его масса равна 3278me, Омега-гипертон так же является странной частицей, ее распад происходит относительно медленно (τ∼10−10с) по схеме:
Кроме того, в 60-х годах было открыто около сотни микрообъектов с достаточно малым временем жизни τ∼10−23−10−24 с. На сегодняшний день известно более 300 таких образований. Их называют резонансными. Не обращая внимания на предельно малый период жизни, резонансы относят к элементарным частицам по той причине, что они обладают спином, парностью и характеризируются другими квантовыми числами.
Малый период жизни приводит к тому, что в соответствии с соотношением неопределенности энергии и времени ΔεΔt∼ℏ не имеют четко определенной массы и описываются непрерывным спектром масс. Расположение максимума этого спектра называют массой резонанса.
В 1974 г. Открыта частица, масса которого превышала массу протона в три раза. Ее открыла группа физиков под руководством С. Тинга и назвали йот-частицей J, а так же группа физиков во главе с Б. Рихтером и назвала пси-частицей Ψ. По той причине что речь идет об одной и той же частице, то ее назвали йот-пси-частицей J/Ψ. Она была первой в новой семье частиц с подобными свойствами.
В 1977 г. Группа физиков во главе с С. Херба открыла достаточно тяжёлый и стабильный ипсилон-мезон Υ. Он электрически нейтральный и претерпевает распад на пары: e++e− и μ−+μ+.
В 1975 г. Получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона -- τ -- лептона.
В 2012 г. В лаборатории ЦЕРН был открыт бозон Хиггса, существование которого постулировал в 1964 г. П. Хиггс. Открытие этой частицы завершает Стандартную модель Вселенной.