Классификация элементарных частиц

Физика элементарных частиц

Физика элементарных частиц тесно примыкает к физике атомного ядра. Это область современной физической науки основывается на квантовых представлениях и проникает в глубину материи, открывая все новые ее свойства и пытаясь изучить ее первоосновы. Прямое наблюдение таких материальных объектов является невозможным.

Первой открытой элементарной частицей был электрон. За все время изучения элементарных частиц выявлено около 400 микрочастиц материи, и процесс изучения и открытия новых частиц продолжается. Свойства элементарных частиц часто оказываются непредсказуемыми.

Классификация элементарных частиц

Классификация элементарных частиц осуществляется на основе различных признаков, и является достаточно сложной.

Рисунок 1. Классификация элементарных частиц. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Классифицируются элементарные частицы по разным признакам. Так, элементарные частицы, которые различаются по характеру взаимодействия и по своим свойствам, подразделяются на две большие группы:

• фермионы
• бозоны.

Фермионы составляют вещество, а бозоны являются переносчиками взаимодействия. Взаимодействие между частицами бывает четырех видов, каждому из которых соответствует определенный тип бозонов: электромагнитное взаимодействие переносит квант света – фотон, сильные ядерные взаимодействия, связывающие кварки, переносятся глюонами. Слабые взаимодействия, которые участвуют в распаде частиц, переносятся векторными бозонами.

По типу взаимодействия элементарные частицы классифицируются следующим образом:

• составные частицы – адроны, которые принимают участие во всех видах взаимодействий. Общее число адронов около 400. Адроны состоят из кварков и в свою очередь, делятся на мезоны и барионы. Мезоны – это частицы с целочисленным спином (нулевым). Барионы – это частицы с полуцелым спином и массой не меньше массы протона. Все частицы являются нестабильными, исключая протон.
• фундаментальные частицы. Это бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего момента описать как составную не удалось. Такой термин в настоящее время применяется в больше части по отношению к лептонам и кваркам в совокупности с калибровочными бозонами.

Лептоны – это фермионы, имеющие вид точечных частиц, их масштабы составляют до 10-18 м. лептоны не принимают участие в сильных взаимодействиях, в электромагнитных взаимодействиях наблюдали участие только заряженных лептонов (мюоны, тау-лептоны, электроны), для нейтрино не наблюдалось. Современной физике известно 6 типов лептонов.

Кварки – это дробнозаряженные частицы, они входят в состав адронов. Эти частицы в свободном состоянии не наблюдались, отсутствие таких наблюдений объясняется механизмом конфайнмента.

Теория кварков

В 1964 году американский ученый М. Гелл-Ман выдвинул гипотезу, согласно которой все тяжелые фундаментальные частицы, адроны, построены из более фундаментальных частиц – кварков. Данная гипотеза возникла вследствие обилия открытых и открываемых адронов. Гипотеза Гелл-Мана была подтверждена исследованиями, на основе этой гипотезы не только удалось выяснить структуру уже открытых адронов, но и предположено существование новых.

Согласно предположению Гелл-Мана, существует три кварка и три антикварка, которые соединяются между собой в различных комбинациях. Таким образом, каждый барион состоит из трех кварков. Антибарион состоит из трех антикварков. Мезоны строятся из пар кварк-антикварк.

Кварки, так же, как и лептоны, делятся на 6 типов и относятся к бесструктурным частицам, но участвуют в сильном взаимодействии.

Калибровочные бозоны – это частицы, при помощи обмена которыми происходит взаимодействие. К ним относятся:

• Фотон – частица, которая переносит электромагнитное взаимодействие. Фотоны не имеют массы, однако способны переносить импульс и энергию;
• Восемь глюонов . это частицы, которые переносят сильное взаимодействие.
• Гравитон. Их существование в настоящее время не доказано экспериментально из-за слабости гравитационного взаимодействия. Гравитон – это гипотетическая частица, существование которой считается вероятным, поэтому он не относится к стандартной модели элементарных частиц.
• Адроны и лептоны составляют вещество. Калибровочные бозоны – это кванты разных видов изучения. Помимо этого, в Стандартной модели элементарных частиц присутствует хиггсовский бозон, существование которого экспериментально не доказано.

Таким образом, понятие элементарных частиц основано на факте дискретного строения вещества. Несмотря на сложную внутреннюю структуру ряда элементарных частиц разделение их на составные части невозможно.

Также элементарные частицы классифицируются следующим образом:

• в зависимости от массы. Частиц с одинаковыми массами не существует. Самой легкой частицей является электрон, самой тяжелой Z-частица, которая в 200 тыс. раз тяжелее электрона.
• в зависимости от электрического заряда. Заряд всегда кратен заряду электрона (-1). Ряд элементарных частиц не имеют заряда – фотон, нейтрино.
• в зависимости от спина. Спин – это собственный момент импульса частицы. По этому признаку частицы делятся на бозоны, частицы, имеющие целый спин -0,1,2 (фотон, его спин равен 1) и фермионы – частицы с полуцелыми спинами – ½, 3/2 (протон, электрон имеют спин ½). Частиц со спином больше 2 не существует.
• в зависимости от времени жизни различают частицы стабильные – к ним относятся электрон, протон, фотон и нейтрино) и нестабильные. Нестабильными являются все остальные частицы, их время жизни составляет от нескольких микросекунд.

Таким образом, в современной науке открыто огромное количество элементарных частиц. Наряду с элементарными частицами, входящими в Стандартную модель, существуют так называемые гипотетические элементарные частицы, их существование пока не доказано экспериментальным путем, однако имеется большая вероятность их существования. Классификация элементарных частиц достаточно сложная, осуществляется на основании многочисленных признаков. С открытием новых частиц, возможно, принятая классификация будет меняться.