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 $\varepsilon \approx pc$. Тогда соотношение неопределенностей Гейзенберга $\triangle p\triangle x\ge \hbar $ 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 $\tau $ частицы в свободном состоянии меняется в пределах от ${10}^{-24}\ с$ до бесконечности (экспериментально установлено, что время жизни протона составляет ${\tau \ge 10}^{32}$ год).
Первую элементарную частицу, электрон, открыл Дж. Дж. Томсон 1897 г. Масса электрона $m_e=9.7\cdot {10}^{-31}\ кг$. Он обладает отрицательным электрическим зарядом $e=-1,602\cdot {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 $m_p=1836,15m_e$ 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 протона$m_n=1838,68m_e$. Электрический заряд протона равен нолю.
Анализируя $\beta $ -- 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 $\mu $ -- мезонами (мюоны). Их масса составляет $206,7m_e$, электрический заряд $+e$ и $--e$ (${\mu }^+,\ {\mu }^-$), время жизни $\sim 2,2\cdot {10}^{-6}\ с.\ $
В $1947$ году С. Пауэлл и Дж. Оккиалини в космических лучах обнаружили ${\pi }^+$ и ${\pi }^-$ - мезоны, масса которых составляла $273,2m_e$, электрический заряд был равен соответственно $+e$ и $--e$, время жизни $2,55\cdot {10}^{-8}\ с$. В 1950 г. Был открыт нейтральный $\pi $ -- мезон (${\pi }^0$), масса которого составляет $264,2m_e$, 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 $\pi $ -- мезона, но меньше массы нуклона. Их назвали $K$ -- мезонами, или каонами. Каоны существуют в двух зарядовых разновидностях: $K^+$ и $K^0$ и соответственно их античастицы ${\tilde{K}}^+$ и ${\tilde{K}}^0$. К гипертонам относял лямбда -- гипертон ${\Lambda }^0$, три сигма-гипертоны: ${\Sigma }^+,{\Sigma }^0,{\Sigma }^-$ и два кси-гипертоны: ${\Xi }^-\ и\ {\Xi }^+$.
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 $\tau \sim {10}^{-23}-{10}^{-24}\ с$, 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 ${\Omega }^-$, существование которого так же было предусмотрено теоретически. Его масса равна $3278m_e$, Омега-гипертон так же является странной частицей, ее распад происходит относительно медленно $({\tau \sim 10}^{-10} с)$ по схеме:
Кроме того, в $60$-х годах было открыто около сотни микрообъектов с достаточно малым временем жизни $\tau \sim {10}^{-23}-{10}^{-24}\ с$. 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 $\Delta \varepsilon \Delta t\sim \hbar $ 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 $\Psi $. По той причине что речь идет об одной и той же частице, то ее назвали йот-пси-частицей $J/\Psi $. 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 $\Upsilon $. Он электрически нейтральный и претерпевает распад на пары: $e^++e^-\ и\ {\mu }^-+{\mu }^+$.
В $1975$ г. Получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона -- $\tau $ -- 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.
