«Элементарные частицы»

Элементарные частицы в энциклопедиях

Источники

Большая Советская энциклопедия Большой энциклопедический словарь Современная энциклопедия Физическая энциклопедия Химическая энциклопедия Энциклопедический словарь Начала современного естествознания Большой энциклопедический политехнический словарь Большая политехническая энциклопедия Естествознание. Энциклопедический словарь Термины атомной энергетики

Большая Советская энциклопедия

Введение. Э. ч. в точном значении этого термина — первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии «Э. ч.» в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях, определяющих все известные свойства материального мира, идея, зародившаяся на ранних этапах становления естествознания и всегда игравшая важную роль в его развитии.

Понятие «Э. ч.» сформировалось в тесной связи с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне. Обнаружение на рубеже 19—20 вв. мельчайших носителей свойств вещества — молекул и атомов — и установление того факта, что молекулы построены из атомов, впервые позволило описать все известные вещества как комбинации конечного, хотя и большого, числа структурных составляющих — атомов. Выявление в дальнейшем наличия составных слагающих атомов — Электронов и ядер, установление сложной природы ядер, оказавшихся построенными всего из двух типов частиц (Протонов и Нейтронов), существенно уменьшило количество дискретных элементов, формирующих свойства вещества, и дало основание предполагать, что цепочка составных частей материи завершается дискретными бесструктурными образованиями — Э. ч. Такое предположение, вообще говоря, является экстраполяцией известных фактов и сколько-нибудь строго обосновано быть не может. Нельзя с уверенностью утверждать, что частицы, элементарные в смысле приведённого определения, существуют. Протоны и нейтроны, например, длительное время считавшиеся Э. ч., как выяснилось, имеют сложное строение. Не исключена возможность того, что последовательность структурных составляющих материи принципиально бесконечна. Может оказаться также, что утверждение «состоит из...» на какой-то ступени изучения материи окажется лишённым содержания. От данного выше определения «элементарности» в этом случае придется отказаться. Существование Э. ч. — это своего рода постулат, и проверка его справедливости — одна из важнейших задач физики.

Термин «Э. ч.» часто употребляется в современной физике не в своём точном значении, а менее строго — для наименования большой группы мельчайших частиц материи, подчинённых условию, что они не являются атомами или атомными ядрами (исключение составляет простейшее ядро атома водорода — протон). Как показали исследования, эта группа частиц необычайно обширна. Помимо упоминавшихся протона (р), нейтрона (n) и электрона (e^-) к ней относятся: Фотон (γ), Пи-мезоны (π), Мюоны (μ), Нейтрино трёх типов (электронное v_e, мюонное v_μ и связанное с т. н. тяжёлым лептоном v_τ), т. н. Странные частицы(К-мезоны и Гипероны), разнообразные Резонансы, открытые в 1974—77 ψ-частицы, «очарованные» частицы, ипсилон-частицы (ϒ) и тяжёлые лептоны (τ⁺, τ^—) — всего более 350 частиц, в основном нестабильных. Число частиц, включаемых в эту группу, продолжает расти и, скорее всего, неограниченно велико; при этом большинство перечисленных частиц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по современным представлениям, они являются составными системами (см. ниже). Использование названия «Э. ч.» ко всем этим частицам имеет исторические причины и связано с тем периодом исследований (начало 30-х гг. 20 в.), когда единственно известными представителями данной группы были протон, нейтрон, электрон и частица электромагнитного поля — фотон. Эти четыре частицы тогда естественно было считать элементарными, т. к. они служили основой для построения окружающего нас вещества и взаимодействующего с ним электромагнитного поля, а сложная структура протона и нейтрона не была известна.

Открытие новых микроскопических частиц материи постепенно разрушило эту простую картину. Вновь обнаруженные частицы, однако, во многих отношениях были близки к первым четырём известным частицам. Объединяющее их свойство заключается в том, что все они являются специфическими формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы (иногда по этой причине их называют «субъядерными частицами»). Пока количество таких частиц было не очень велико, сохранялось убеждение, что они играют фундаментальную роль в строении материи, и их относили к категории Э. ч. Нарастание числа субъядерных частиц, выявление у многих из них сложного строения показало, что они, как правило, не обладают свойствами элементарности, но традиционное название «Э. ч.» за ними сохранилось.

В соответствии со сложившейся практикой термин «Э. ч.» будет употребляться ниже в качестве общего назв. субъядерных частиц. В тех случаях, когда речь будет идти о частицах, претендующих на роль первичных элементов материи, при необходимости будет использоваться термин «истинно Э. ч.».

Краткие исторические сведения. Открытие Э. ч. явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения вещества, достигнутых физикой в конце 19 в. Оно было подготовлено всесторонними исследованиями оптических спектров атомов, изучением электрических явлений в жидкостях и газах, открытием фотоэлектричества, рентгеновских лучей, естественной радиоактивности, свидетельствовавших о существовании сложной структуры материи.

Исторически первой открытой Э. ч. был электрон — носитель отрицательного элементарного электрического заряда (См. Элементарный электрический заряд) в атомах. В 1897 Дж. Дж. Томсон установил, что т. н. катодные лучи образованы потоком мельчайших частиц, которые были названы электронами. В 1911 Э. Резерфорд, пропуская Альфа-частицы от естественного радиоактивного источника через тонкие фольги различных веществ, выяснил, что положительный заряд в атомах сосредоточен в компактных образованиях — ядрах, а в 1919 обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны — частицы с единичным положительным зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу электрона. Другая частица, входящая в состав ядра, — нейтрон — была открыта в 1932 Дж. Чедвиком при исследованиях взаимодействия α-частиц с бериллием. Нейтрон имеет массу, близкую к массе протона, но не обладает электрическим зарядом. Открытием нейтрона завершилось выявление частиц — структурных элементов атомов и их ядер.

Вывод о существовании частицы электромагнитного поля — фотона — берёт своё начало с работы М. Планка (1900). Предположив, что энергия электромагнитного излучения абсолютно чёрного тела квантованна, Планк получил правильную формулу для спектра излучения. Развивая идею Планка, А. Эйнштейн (1905) постулировал, что электромагнитное излучение (свет) в действительности является потоком отдельных квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности Фотоэффекта. Прямые экспериментальные доказательства существования фотона были даны Р. Милликеном (1912— 1915) и А. Комптоном (1922; см.Комптона эффект).

Открытие нейтрино — частицы, почти не взаимодействующей с веществом, ведёт своё начало от теоретической догадки В. Паули (1930), позволившей за счёт предположения о рождении такой частицы устранить трудности с законом сохранения энергии в процессах Бета-распада радиоактивных ядер. Экспериментально существование нейтрино было подтверждено лишь в 1953 (Ф. Райнес и К Коуэн, США).

С 30-х и до начала 50-х гг. изучение Э. ч. было тесно связано с исследованием космических лучей (См. Космические лучи). В 1932 в составе космических лучей К. Андерсоном был обнаружен позитрон (е⁺) — частица с массой электрона, но с положительным электрическим зарядом. Позитрон был первой открытой античастицей (См. Античастицы) (см. ниже). Существование е⁺ непосредственно вытекало из релятивистской теории электрона, развитой П. Дираком (1928—31) незадолго до обнаружения позитрона. В 1936 американские физики К. Андерсон и С. Неддермейер обнаружили при исследовании осмических лучей мюоны (обоих знаков электрического заряда) — частицы с массой примерно в 200 масс электрона, а в остальном удивительно близкие по свойствам к е^-, е⁺.

В 1947 также в космических лучах группой С. Пауэлла были открыты π⁺ и π^--мезоны с массой в 274 электронные массы, играющие важную роль во взаимодействии протонов с нейтронами в ядрах. Существование подобных частиц было предположено Х. Юкавой (См. Юкава)в 1935.

Конец 40-х — начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название «странных». Первые частицы этой группы К⁺- и К^--мезоны, Λ-, Σ⁺-, Σ^--, Ξ^--гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях — установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые Э. ч., которые и становятся предметом изучения.

С начала 50-х гг. ускорители превратились в основной инструмент для исследования Э. ч. В 70-х гг. энергии частиц, разогнанных на ускорителях, составили десятки и сотни млрд. Электронвольт(Гэв). Стремление к увеличению энергий частиц обусловлено тем, что высокие энергии открывают возможность изучения строения материи на тем меньших расстояниях, чем выше энергия сталкивающихся частиц. Ускорители существенно увеличили темп получения новых данных и в короткий срок расширили и обогатили наше знание свойств микромира. Применение ускорителей для изучения странных частиц позволило более детально изучить их свойства, в частности особенности их распада, и вскоре привело к важному открытию: выяснению возможности изменения характеристик некоторых микропроцессов при операции зеркального отражения (см. Пространственная инверсия)— т. н. нарушению пространств. чётности (См. Чётность) (1956). Ввод в строй протонных ускорителей с энергиями в миллиарды эвпозволил открыть тяжёлые античастицы: Антипротон (1955), Антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960). В 1964 был открыт самый тяжёлый гиперон Ω^- (с массой около двух масс протона). В 1960-х гг. на ускорителях было открыто большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными Э. ч.) частиц, получивших название «резонансов». Массы большинства резонансов превышают массу протона. Первый из них Δ₁ (1232) был известен с 1953. Оказалось, что резонансы составляют основная часть Э. ч.

В 1962 было выяснено, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1964 в распадах нейтральных К-мезонов. было обнаружено несохранение т, н. комбинированной чётности (введённой Ли Цзун-дао и Ян Чжэнь-нином и независимо Л. Д. Ландау в 1956; см. Комбинированная инверсия), означающее необходимость пересмотра привычных взглядов на поведение физических процессов при операции отражения времени (см. Теорема СРТ).

В 1974 были обнаружены массивные (в 3—4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые ψ-частицы, с временем жизни, необычно большим для резонансов. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч. — «очарованных», первые представители которого (D⁰, D⁺, Λ_с) были открыты в 1976. В 1975 были получены первые сведения о существовании тяжёлого аналога электрона и мюона (тяжёлого лептона τ). В 1977 были открыты ϒ-частицы с массой порядка десятка протонных масс.

Таким образом, за годы, прошедшие после открытия электрона, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц материи. Мир Э. ч. оказался достаточно сложно устроенным. Неожиданными во многих отношениях оказались свойства обнаруженных Э. ч. Для их описания, помимо характеристик, заимствованных из классической физики, таких, как электрический заряд, масса, момент количества движения, потребовалось ввести много новых специальных характеристик, в частности для описания странных Э. ч. — Странность (К. Нишиджима, М. Гелл-Ман, 1953), «очарованных» Э. ч. — «очарование» (американские физики Дж. Бьёркен, Ш. Глэшоу, 1964); уже названия приведённых характеристик отражают необычность описываемых ими свойств Э. ч.

Изучение внутреннего строения материи и свойств Э. ч. с первых своих шагов сопровождалось радикальным пересмотром многих устоявшихся понятий и представлений. Закономерности, управляющие поведением материи в малом, оказались настолько отличными от закономерностей классической механики и электродинамики, что потребовали для своего описания совершенно новых теоретических построений. Такими новыми фундаментальными построениями в теории явились частная (специальная) и общая теория относительности (А. Эйнштейн, 1905 и 1916; см. Относительности теория, Тяготение) и Квантовая механика (1924—27; Н. Бор, Л. де Бройль, В. Гейзенберг, Э.Шрёдингер, М. Борн).Теория относительности и квантовая механика знаменовали собой подлинную революцию в науке о природе и заложили основы для описания явлений микромира. Однако для описания процессов, происходящих с Э. ч., квантовой механики оказалось недостаточно. Понадобился следующий шаг — квантование классических полей (т. н. Квантование вторичное) и разработка квантовой теории поля. Важнейшими этапами на пути её развития были: формулировка квантовой электродинамики (См. Квантовая электродинамика)(П. Дирак, 1929), квантовой теории β-распада (Э. Ферми, 1934), положившей начало современной теории слабых взаимодействий (См. Слабые взаимодействия), квантовой мезодинамики (Юкава, 1935). Непосредственной предшественницей последней была т. н. β-теория ядерных сил (И. Е. Тамм, Д. Д. Иваненко, 1934; см. Сильные взаимодействия).Этот период завершился созданием последовательного вычислительного аппарата квантовой электродинамики (С. Томонага, Р. Фейнман, Ю. Швингер; 1944—49), основанного на использовании техники перенормировки (см. Квантовая теория поля). Эта техника была обобщена впоследствии применительно к другим вариантам квантовой теории поля.

Квантовая теория поля продолжает развиваться и совершенствоваться и является основой для описания взаимодействий Э. ч. У этой теории имеется ряд существенных успехов, и всё же она ещё очень далека от завершённости и не может претендовать на роль всеобъемлющей теории Э. ч. Происхождение многих свойств Э. ч. и природа присущих им взаимодействий в значительной мере остаются неясными. Возможно, понадобится ещё не одна перестройка всех представлений и гораздо более глубокое понимание взаимосвязи свойств микрочастиц и геометрических свойств пространства-времени, прежде чем теория Э. ч. будет построена.

Основные свойства элементарных частиц. Классы взаимодействий. Все Э. ч. являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6․10^-24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9․10^-28 г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, π-мезона по порядку величины равны 10^-13 см. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10^-15 см. Микроскопические массы и размеры Э. ч. лежат в основе квантовой специфики их поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать Э. ч. в квантовой теории (ħ — постоянная Планка, m — масса частицы, с — скорость света) по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие (например, для π-мезона ^-13 см). Это и приводит к тому, что квантовые закономерности являются определяющими для Э. ч.

Наиболее важное квантовое свойство всех Э. ч. — их способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Э. ч. — это специфические кванты материи, более точно — кванты соответствующих физических полей (см. ниже). Все процессы с Э. ч. протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, например, процесс рождения π⁺-мезона при столкновении двух протонов (р + р → р + n+ π⁺) или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают, например, два γ-кванта (е⁺ +е^- → γ + γ). Но и процессы упругого рассеяния частиц, например е^- +p → е^- + р, также связаны с поглощением начальных частиц и рождением конечных частиц. Распад нестабильных Э. ч. на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента не существуют. В этом отношении распад Э. ч. подобен распаду возбуждённого атома на атом в основном состоянии и фотон. Примерами распадов Э. ч. могут служить: ⁺ → μ⁺ + v_μ; К⁺ → π⁺ + π⁰ (знаком «тильда» над символом частицы здесь и в дальнейшем помечены соответствующие античастицы).

Различные процессы с Э. ч. заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим взаимодействия Э. ч. можно феноменологически разделить на несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все Э. ч. обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.

Сильные взаимодействия выделяются как взаимодействия, которые порождают процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью среди всех остальных процессов. Они приводят и к самой сильной связи Э. ч. Именно сильные взаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивают исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими, менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь Э. ч. заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности, ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабые взаимодействия, как показывает само название, вызывают очень медленно протекающие процессы с Э. ч. Иллюстрацией их малой интенсивности может служить тот факт, что нейтрино, обладающие только слабыми взаимодействиями, беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца. Слабые взаимодействия обусловливают также медленные распады т. н. квазистабильных Э. ч. Времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10^-8—10^-10 сек, тогда как типичные времена для сильных взаимодействий Э. ч. составляют 10^-23—10^-24сек.

Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим проявлениям, в случае Э. ч. на характерных расстояниях Элементарные частицы10^-13см дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс Э. ч.

Силу различных классов взаимодействий можно приближённо охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант соответствующих взаимодействий. Для сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействий протонов при средней энергии процесса Элементарные частицы1 Гэв эти параметры соотносятся как 1:10^-2: l0^-10:10^-38. Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабых взаимодействий безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами интенсивности различных процессов по-разному зависят от энергии. Это приводит к тому, что относительная роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняется с ростом энергии взаимодействующих частиц, так что разделение взаимодействий на классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные классы взаимодействий имеют, однако, и другую специфику, связанную с различными свойствами их симметрии (см. Симметрия в физике), которая способствует их разделению и при более высоких энергиях. Сохранится ли такое деление взаимодействий на классы в пределе самых больших энергий, пока остаётся неясным.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: Адроны (от греческого hadros — большой, сильный) и Лептоны (от греческого leptos — мелкий, тонкий, лёгкий). Адроны характеризуются прежде всего тем, что они обладают сильными взаимодействиями, наряду с электромагнитными и слабыми, тогда как лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. (Наличие общих для той и другой группы гравитационных взаимодействий подразумевается.) Массы адронов по порядку величины близки к массе протона (т_р); минимальную массу среди адронов имеет π-мезон: т_π—м1/7․т_р. Массы лептонов, известных до 1975—76, были невелики (m_p), однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность существования тяжёлых лептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, лептонов — электрон. Фотон, обладающий только электромагнитными взаимодействиями, не может быть отнесён ни к адронам, ни к лептонам и должен быть выделен в отд. группу. По развиваемым в 70-х гг. представлениям фотон (частица с нулевой массой покоя) входит в одну группу с очень массивными частицами — т. н. промежуточными векторными бозонами, ответственными за слабые взаимодействия и пока на опыте не наблюдавшимися (см. раздел Элементарные частицы и квантовая теория поля).

Характеристики элементарных частиц.Каждая Э. ч., наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается набором дискретных значений определённых физических величин, или своими характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые или дробные числа и некоторый общий множитель — единицу измерения; об этих числах говорят как о квантовых числах (См. Квантовые числа) Э. ч. и задают только их, опуская единицы измерения.

Общими характеристиками всех Э. ч. являются масса (m), время жизни (τ), спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того, по какому закону распределены массы Э. ч. и существует ли для них какая-то единица измерения.

В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных измерений, являются электрон (τ > 5․10²¹ лет), протон (τ > 2․10³⁰ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10^-20сек (для свободного нейтрона даже Элементарные частицы 1000 сек). Резонансами называются Э. ч., распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни 10^-23—10^-24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой ≥ 3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается до значений — Элементарные частицы10^-20сек.

Спин Э. ч. является целым или полуцелым кратным от величины ħ. В этих единицах спин π- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J= 1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы и с более высоким спином. Величина спина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных) частиц, или их статистику (В. Паули, 1940). Частицы полуцелого спина подчиняются Ферми — Дирака статистике (См. Ферми - Дирака статистика) (отсюда название Фермионы), которая требует антисимметрии волновой функции (См. Волновая функция) системы относительно перестановки пары частиц (или нечётного числа пар) и, следовательно, «запрещает» двум частицам полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии (Паули принцип). Частицы целого спина подчиняются Бозе — Эйнштейна статистике (См. Бозе - Эйнштейна статистика) (отсюда название Бозоны), которая требует симметрии волновой функции относительно перестановок частиц и допускает нахождение любого числа частиц в одном и том же состоянии. Статистические свойства Э. ч. оказываются существенными в тех случаях, когда при рождении или распаде образуется несколько одинаковых частиц. Статистика Ферми — Дирака играет также исключительно важную роль в структуре ядер и определяет закономерности заполнения электронами атомных оболочек, лежащие в основе периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

Электрические заряды изученных Э. ч. являются целыми кратными от величины е—1,6․10^-19 к, называются элементарным электрическим зарядом. У известных Э. ч. Q =0, ±1, ±2.

Помимо указанных величин Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом квантовых чисел, называются внутренними. Лептоны несут специфический Лептонный зарядL двух типов: электронный (L_e) и мюонный (L_μ); L_e= +1 для электрона и электронного нейтрино, L_μ= +1 для отрицательного мюона и мюонного нейтрино. Тяжёлый лептон τ; и связанное с ним нейтрино, по-видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда L_τ.

Для адронов L = 0, и это ещё одно проявление их отличия от лептонов. В свою очередь, значительные части адронов следует приписать особый Барионный зарядВ (|Е| = 1). Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (См. Барионы) (сюда входят протон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 — подгруппу мезонов (π- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп адронов происходит от греческих слов barýs — тяжёлый и mésos — средний, что на начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные величины масс известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В =0 и L = 0.

Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности: обычных (нестранных) частиц (протон, нейтрон, π-мезоны), странных частиц (гипероны, К-мезоны) и очарованных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных частиц S =0 иCh = 0, для странных частиц |S| ≠ 0, Ch = 0, для очарованных частиц |Ch| ≠ 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто используется квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более фундаментальное значение.

Уже первые исследования с обычными адронами выявили наличие среди них семейств частиц, близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению к сильным взаимодействиям, но с различными значениями электрического заряда. Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства. Позднее аналогичные семейства были обнаружены среди странных и (в 1976) среди очарованных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие семейства, является отражением существования у них одинакового значения специального квантового числа — изотопического спина (См. Изотопический спин)I, принимающего, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно называются изотопическими мультиплетами. Число частиц в мультиплете (п)связано с I соотношением: n =2I + 1. Частицы одного изотопического мультиплета отличаются друг от друга значением «проекции» изотопического спина I₃, и соответствующие значения Q даются выражением:

Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р, связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения ±1.

Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного из зарядов О, L, В, Y(S) и очарования Ch существуют античастицы с теми же значениями массы т, времени жизни τ, спина J и для адронов изотопического спина 1,но с противоположными знаками всех зарядов и для барионов с противоположным знаком внутренней чётности Р. Частицы, не имеющие античастиц, называются абсолютно (истинно) нейтральными. Абсолютно нейтральные адроны обладают специальным квантовым числом — зарядовой чётностью (т. е. чётностью по отношению к операции зарядового сопряжения (См. Зарядовое сопряжение)) С со значениями ±1; примерами таких частиц могут служить фотон и π⁰.

Квантовые числа Э. ч. разделяются на точные (т. е. такие, которые связаны с физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах) и неточные (для которых соответствующие физические величины в части процессов не сохраняются). Спин J связан со строгим законом сохранения момента количества движения и потому является точным квантовым числом. Другие точные квантовые числа: Q, L, В; по современным данным, они сохраняются при всех превращениях Э. ч. Стабильность протона есть непосредственное выражение сохранения В(нет, например, распада р →е⁺ + γ). Однако большинство квантовых чисел адронов неточные. Изотопический спин, сохраняясь в сильных взаимодействиях, не сохраняется в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Странность и очарование сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабых взаимодействиях. Слабые взаимодействия изменяют также внутреннюю и зарядовую чётности. С гораздо большей степенью точности сохраняется комбинированная чётность СР, однако и она нарушается в некоторых процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями. Причины, вызывающие несохранение многих квантовых чисел адронов, неясны и, по-видимому, связаны как с природой этих квантовых чисел, так и с глубинной структурой электромагнитных и слабых взаимодействий. Сохранение или несохранение тех или иных квантовых чисел — одно из существенных проявлений различий классов взаимодействий Э. ч.

Табл. 1. — Основные элементарные частицы и их характеристики

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Фотон |

| γ | 0 | 1^- | — | стабилен |

| Лептоны |

| e^- | e⁺ | 0,511003(1) | ½ | — | стабильны |

| ν | ν_e | 0(<>^-⁵) | ½ | — | стабильны |

| μ^- | μ⁺ | 105,6595(3) | ½ | — | 2,19713(7)․10^-⁶ |

| ν | ν_μ | 0(<> | ½ | — | стабильны |

| τ^- | τ⁺ | 1900(100) | ½ | — | ? |

| ν | ν_τ | <> | ½ | — | ? |

| Мезоны (В=0) |

| | π⁺ | | π^- | | | ) | | 2,603(2)․10^-⁸ |

|-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| | 0^- |----------------------| |------------------------------------|

| | | π⁰ | | | | | | | 0,83(6)․10^-¹⁶ |

| * | ρ⁺ | ρ⁰ | ρ^- | 773(3) | 1^- | | | | 152(3) |

| * | B⁺ | B⁰ | B^- | 1230(10) | 1⁺ | | | | 125(10) |

| * | | | 1310(5) | 2⁺ | } | | 102(5) |

| * | ρ’⁺ | ρ’⁰ | ρ’^- | 1600 | 1^- | | | | Элементарные частицы400 |

| * | g⁺ | g⁰ | g^- | 1690(20) | 3^- | | | | 180(30) |

| * | S⁺ | S⁰ | S^- | 1940 | 4⁺ | ) | | 54 |

| | η | | 548,8(6) | 0^- | ) | | 7(1)․10^-¹⁹ |

| * | ω | | 782,7(3) | 1^- | | | | 10,0(4) |

| * | η’ | | 957,6(3) | 0^- | | | | <> |

| * | φ | | 1019,7(3) | 1^- | | | | 4,1(2) |

| * | f | | 1270(5) | 2⁺ | | | | 180(20) |

| * | f’ | | 1516(3) | 2⁺ | | | | 40(10) |

| * | ω’ | | 1667(10) | 3^- | | | | 140(10) |

| * | h | | 2020(25) | 4⁺ | } | 0,0,0 | 180(50) |

| * | η_c | | 2820(20) | 0^-? | | | | ? |

| * | ψ | | 3095(4) | 1^- | | | | 0,069(15) |

| * | ψ’ | | 3684(5) | 1^- | | | | 0,228(56) |

| * | ψ’’ | | 3772(6) | 1^- | | | | 28(5) |

| * | ψ’’’ | | 4414(7) | 1^- | | | | 33(10) |

| * | ϒ | | 9410(10) | 1^-? | | | | ? |

| * | ϒ’ | | 10060(30) | 1^-? | ) | | ? |

| | | | | 493,71(4) | | ) | | 1,237(3)․10^-⁸ |

|------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| 0 |------------------------| |------------------------------------|

| | | | | | 497,7(1) | |------------------------| | |

| * | | | | 892,2(5) | 1 | } | | 50(1) |

| * | | | | 1242(10) | 1 | | | | 127(25) |

| * | | | | 1421(3) | 2 | | | | 100(10) |

| * | | | | 1765(10) | ? | ) | | 140(50) |

| * | | | | 1868,4(9) | 0^- | ) | | ? |

| | | | | | 1863,3(9) | 0^- | } | | ? |

| * | | | | 2009(1) | 1^- | | | | ? |

| * | | | | | 2006(1,5) | 1^- | ) | | ? |

| Барионы (ïВ)=1) |

| | p | | p | | | ½⁺ | ) | | стабильны |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |----------------------------------| |------------------------------------|

| | | n | | n | | | | | | 918(14) |

| * | | | 1470 | ½⁺ | | | | Элементарные частицы200 |

| * | | | 1520 | ³∕₂^- | } | ½,1,0 | Элементарные частицы125 |

| * | | | 1688 | ⁵∕₂⁺ | | | | Элементарные частицы140 |

| * | | | 2190 | ⁷∕₂^- | | | | Элементарные частицы250 |

| * | | | 2220 | ⁹∕₂⁺ | ) | | Элементарные частицы300 |

| * | | | | | | | | | 1232 | ³∕₂⁺ | ) | | Элементарные частицы110 |

| * | | | | | | | | | 1650 | ½^- | } | | Элементарные частицы140 |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------| ³∕₂,1,0 |------------------------------------|

| * | | | | | | | | | 1890 | ⁵∕₂⁺ | | | | Элементарные частицы250 |

| * | | | | | | | | | 1950 | ⁷∕₂⁺ | ) | | Элементарные частицы220 |

| * | Λ | Λ | 1115,60(5) | ½⁺ | | 2,58(2)․10^-¹⁰ |

| * | Λ₁ | Λ₁ | 1405(5) | ½^- | | 40(10) |

| * | Λ₂ | Λ₂ | 1518(2) | ³∕₂^- | 0,0,0 | 16(2) |

| * | Λ₃ | Λ₃ | 1820(5) | ⁵∕₂⁺ | | 85 |

| * | Λ₄ | Λ₄ | 2100 | ⁷∕₂^- | | 250 |

| | Σ⁺ | | | Σ⁺ | | | | | ) | | 0,800(6)․10^-¹⁰ |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |----------------------------------| |------------------------------------|

| | | Σ⁰ | | | Σ⁰ | | | ½⁺ | | | | <>^-¹⁴ |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |----------------------------------| |------------------------------------|

| | | | Σ^- | | | Σ^- | | | | | | 1,482(17) 10^-¹⁰ |

| * | Σ*⁺ | Σ*⁰ | Σ*^- | Σ*⁺ | Σ*⁰ | Σ*^- | 1383(1) | ³∕₂⁺ | } | 1,0,0 | 35(2) |

| * | | | | | 1670(10) | ³∕₂^- | | | | Элементарные частицы50 |

| * | | | | | 1765(5) | ⁵∕₂^- | | | | Элементарные частицы120 |

| * | | | | | 2030 | ⁷∕₂⁺ | ) | | Элементарные частицы180 |

| | Ξ⁰ | | Ξ⁰ | | | | ) | | 2,96(12) 10^-¹⁰ |

|---------------------------------------------------------------------------------------------------------------| |----------------------------------| |------------------------------------|

| | | Ξ^- | | Ξ^- | | ½⁺ | | | | 1,65(2) 10^-¹⁰ |

| * | Ξ*⁰ | Ξ*^- | Ξ*⁰ | Ξ*^- | 1531,8(3) | ³∕₂⁺ | } | | 9,1(5) |

| * | | | | | 1820 | ? | ) | | Элементарные частицы60 |

| Ω^- | Ω^- | 1672,2(4) | ³∕₂⁺ | 0,—2,0 | 1,3(2) 10^-¹⁰ |

| Λ⁺_c | | 2260(10) | ½? | 0,—²∕₃,1 | <> |

| ∑_c⁰ | | 2450 | ½? | 1,—²∕₃,1 | ? |

В табл. 1 приведены наиболее хорошо изученные Э. ч. из групп лептонов и адронов и их квантовые числа. В специальную группу выделен фотон. Раздельно даны частицы и античастицы (изменение Р у антибарионов не указано). Абсолютно нейтральные частицы помещены посередине первой колонки. Слева значком * помечены резонансы, для которых вместо т приведена более удобная величина — ширина резонанса Γ=ħ/τ. Члены одного изотопического мультиплета расположены в одной строке, иногда с небольшим смещением (в тех случаях, когда даются характеристики каждого члена мультиплета).

Как следует из табл. 1, лептоны представлены сравнительно небольшим числом частиц: электроном, мюоном, τ-лептоном и соответствующими им нейтрино. Массы v_e и v_μ очень малы, но равны ли они в точности нулю, предстоит решить будущим экспериментам; информация о массе v_τ пока ограничена.

Основную часть Э. ч. составляют адроны. Увеличение числа Э. ч. в 60—70-х гг. происходило исключительно за счёт расширения данной группы. Адроны в своём большинстве представлены резонансами; наблюдается тенденция к росту спина по мере роста массы резонансов, которая хорошо прослеживается на различных группах мезонов и барионов с заданными J и Y и Ch. Следует также отметить, что странные частицы (особенно квазистабильные) несколько тяжелее обычных (нестранных) частиц, а очарованные частицы тяжелее странных.

Классификация элементарных частиц.

Унитарная симметрия. Классификация лептонов пока не представляет проблем, большое же число адронов, известных уже в начале 50-х гг., явилось основанием для поиска закономерностей в распределении масс и квантовых чисел барионов и мезонов, которые могли бы составить основу их классификации. Выделение изотопических мультиплетов адронов было первым шагом на этом пути. С математической точки зрения группировка адронов в изотопические мультиплеты отражает наличие у них симметрии, связанной с группой вращения (см. Группа), более формально, с группой SU(2) — группой унитарных преобразований в комплексном двумерном пространстве. Предполагается, что эти преобразования действуют в некотором специфическом внутреннем пространстве — «изотопическом пространстве», отличном от обычного. Существование изотопического пространства проявляется только в наблюдаемых свойствах симметрии. На математическом языке изотопические мультиплеты суть неприводимые представления группы симметрии SU(2).

Концепция симметрии как фактора, определяющего существование различных групп и семейств Э. ч., в современной теории является доминирующей при классификации адронов и других Э. ч. Предполагается, что внутренние квантовые числа Э. ч., позволяющие выделять те или иные группы частиц, связаны со специальными типами симметрий, возникающими за счёт свободы преобразований в особых «внутренних» пространствах. Отсюда и происходит название «внутренние квантовые числа».

Внимательное рассмотрение показывает, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими свойствами, чем изотопические мультиплеты. Они называются супермультиплетами. Число частиц, входящих в наблюдаемые супермультиплеты, равно 8 и 10. С точки зрения симметрий возникновение супермультиплетов истолковывается как проявление существования у адронов группы симметрии более широкой, чем группа SU(2), а именно: SU(3) — группы унитарных преобразований в трёхмерном комплексном пространстве (М. Гелл-Ман и независимо Ю. Нееман, 1961). Соответствующая симметрия получила назв. унитарной симметрии. Группа SU(3)имеет, в частности, неприводимые представления с числом компонент 8 и 10, отвечающие наблюдаемым супермультиплетам: октету и декуплету. Примерами могут служить следующие группы частиц с одинаковыми значениями J ^P:

Общими для всех частиц в супермультиплете являются значения двух величин, которые по математической природе близки к изотопическому спину и поэтому часто называются унитарным спином. Для октета значения связанных с этими величинами квантовых чисел равны (1, 1), для декуплета — (3, 0).

Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая симметрия. В соответствии с этим различие в массах частиц, входящих в октеты и декуплеты, довольно значительно. По этой же причине разбиение адронов на супермультиплеты сравнительно просто осуществляется для Э. ч. не очень высоких масс. При больших массах, когда имеется много различных частиц с близкими массами, это разбиение осуществляется менее надёжно. Однако в свойствах Э. ч. имеется много разнообразных проявлений унитарной симметрии.

Включение в систематику Э. ч. очарованных адронов позволяет говорить о сверхсупермультиплетах и о существовании ещё более широкой симметрии, связанной с унитарной группой SU(4). Примеры до конца заполненных сверхсупермультиплетов пока отсутствуют. SU(4)-симметрия нарушена ещё сильнее, чем SU(3)-симметрия, и её проявления выражены слабее.

Обнаружение у адронов свойств симметрии, связанных с унитарными группами, и закономерностей разбиения на мультиплеты, отвечающих строго определённым представлениям указанных групп, явилось основой для вывода о существовании у адронов особых структурных элементов — кварков.

Кварковая модель адронов. Развитие работ по классификации адронов с первых своих шагов сопровождалось попытками выделить среди них частицы более фундаментальные, чем остальные, которые могли бы стать основой для построения всех адронов. Начало этой линии исследования было положено Э. Ферми и Ян Чжэнь-нином (1949), которые предположили, что такими фундаментальными частицами являются нуклон (N) и антинуклон (Марков, 1955; японский физик С. Саката, 1956; Л. Б. Окунь, 1957). Модели, построенные на этой основе, хорошо описывали мезонные мультиплеты, но не давали правильного описания мультиплетов барионов. Важнейший элемент данных моделей — использование для «построения» адронов небольшого числа фермионов — органически вошёл в модель, которая наиболее успешно решает задачу описания всех адронов, — кварковую модель (австрийский физик Г. Цвейг и независимо М. Гелл-Ман, 1964).

В первоначальном варианте в основу модели было положено предположение, что все известные адроны построены из трёх типов частиц спина ¹/₂, названных р-, n-, λ-кварками, не принадлежащих к числу наблюдавшихся адронов и обладающих весьма необычными свойствами. Название «кварки» заимствовано из романа Дж. Джойса (см. Кварки). Современный вариант модели предполагает существование как минимум четырёх типов кварков. Четвёртый кварк необходим для описания очарованных адронов.

Идея кварков подсказана унитарной симметрией. Математическая структура унитарных групп открывает возможность описания всех представлений группы SU(n) (и, следовательно, всех мультиплетов адронов) на основе самого простого представления группы, содержащего n компонент. В случае группы SU(3)таких компонент три. Необходимо только допустить наличие частиц, связанных с этим простейшим представлением. Эти частицы и есть кварки. Кварковый состав мезонов и барионов был выведен из того факта, что супермультиплеты мезонов содержат, как правило, 8 частиц, а барионов — 8 и 10 частиц. Эта закономерность легко воспроизводится, если предположить, что мезоны составлены из кварка q и антикварка В = (qqq). В силу свойств группы SU(3) 9 мезонов разбиваются на супермультиплеты из 1 и 8 частиц, а 27 барионов — на супермультиплеты, содержащие 1, 10 и дважды по 8 частиц, что и объясняет наблюдаемую выделенность октетов и декуплетов.

Добавление к схеме четвёртого кварка (и, если окажется необходимым, новых дополнительных кварков) осуществляется при сохранении основного предположения кварковой модели о строении адронов:

В = (qqq).

Все экспериментальные данные хорошо соответствуют приведённому кварковому составу адронов. Имеются, видимо, лишь небольшие отклонения от этой структуры, которые не влияют существенным образом на свойства адронов.

Указанная структура адронов и математические свойства кварков, как объектов, связанных с определённым (простейшим) представлением группы SU(4), приводят к след. квантовым числам кварков (табл. 2). Обращают внимание необычные — дробные — значения электрического заряда Q, а также В, S и Y, не встречающиеся ни у одной из наблюдавшихся Э. ч. С индексом α у каждого типа кварка q_i(i = 1, 2, 3, 4) связана особая характеристика кварков — «цвет», которой нет у изученных адронов. Индекс α принимает значения 1, 2, 3, т, е. каждый тип кварка q_iпредставлен тремя разновидностями q_i^α (Н. Н. Боголюбов с сотрудниками, 1965; американские физики И. Намбу и М. Хан, 1965; японский физик И. Миямото, 1965). Квантовые числа каждого типа кварка не меняются при изменении «цвета» и поэтому табл. 2 относится к кваркам любого «цвета».

Табл. 2. — Характеристики кварков

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| Кварк | Символ | J | I | I₃ | S | B | Y | Ch | Q |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| q₁^α | p^α | ¹/₂ | ¹/₂ | + ¹/₂ | 0 | ¹/₃ | ¹/₃ | 0 | ²/₃ |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| q₂^α | n^α | ¹/₂ | ¹/₂ | - ¹/₂ | 0 | ¹/₃ | ¹/₃ | 0 | -¹/₃ |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| q₃^α | λ^α | ¹/₂ | 0 | 0 | -1 | ¹/₃ | -²/₃ | 0 | -¹/₃ |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| q₄^α | c^α | ¹/₂ | 0 | 0 | - ¹/₃ | ¹/₃ | 0 | 1 | ²/₃ |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Необходимость введения «цвета» вытекает из требования антисимметрии волновой функции системы кварков, образующих барионы. Кварки, как частицы со спином ¹/₂, должны подчиняться статистике Ферми — Дирака.

Между тем имеются барионы, составленные из трёх одинаковых кварков, с одинаковой ориентацией спинов: Δ⁺⁺(p_↑р_↑р_↑), Ω⁺(λ _↑λ _↑λ _↑), которые явно симметричны относительно перестановок кварков, если последние не обладают дополнительной степенью свободы. Такой дополнительной степенью свободы и является «цвет». С учётом «цвета» требуемая антисимметрия легко восстанавливается. Уточнённые формулы структурного состава мезонов и барионов выглядят при этом следующим образом:

где ε_αβγ — полностью антисимметричный Тензор (

В табл. 2 не приведены массы кварков. Это связано с тем, что кварки пока выступают лишь как составные части адронов, — в свободном состоянии они не наблюдались, поэтому прямых данных о массах кварков нет. На основании величин масс различных связанных состояний кварков (обычные, странные, очарованные адроны) можно только заключить, что mp Элементарные частицы m_nm_λ <>m_c.

Всё многообразие адронов возникает за счёт различных сочетаний р-, п-, γ- и с-кварков, образующих связанные состояния. Обычным адронам соответствуют связанные состояния, построенные только из р- и n-кварков [для мезонов с возможным участием комбинаций р- и n-кварками одного γ- или с-кварка означает, что соответствующий адрон странный (S = —1) или очарованный (Ch =+ 1). В состав бариона может входить два и три γ -кварка (соответственно с-кварка), т. е. возможны дважды и трижды странные (очарованные) барионы. Допустимы также сочетания различного числа γ- и с-кварков (особенно в барионах), которые соответствуют «гибридным» формам адронов («странно-очарованным»). Очевидно, что чем больше γ- или с-кварков содержит адрон, тем он тяжелее. Если сравнивать основные (не возбуждённые) состояния адронов, именно такая картина и наблюдается (см. табл. 1, а также табл. 3 и 5).

Поскольку спин кварков равен ¹/₂, приведённая выше кварковая структура адронов имеет своим следствием целочисленный спин у мезонов и полуцелый — у барионов, в полном соответствии с экспериментом. При этом в состояниях, отвечающих орбитальному моменту l = 0, в частности в основных состояниях, значения спина мезонов должны равняться 0 или 1 (для антипараллельной _↑↓ и параллельной _↑↑ ориентации спинов кварков), а спина барионов — ¹/₂ или ³/₂ (для спиновых конфигураций _↓↑↑ и _↑↑↑). С учётом того, что внутренняя чётность системы кварк-антикварк отрицательна, значения J^P для мезонов при l = 0 равны 0^- и 1^-, для барионов — ¹/₂⁺ и ³/₂⁺. Именно эти значения J^Pнаблюдаются у адронов, имеющих наименьшую массу при заданных значениях I и Y (см. табл. 1).

Поскольку индексы i, k, l в структурных формулах пробегают значения 1, 2, 3, 4, число мезонов M_ik с заданным спином должно быть равно 16. Для барионов B_ikl максимально возможное число состояний при заданном спине (64) не реализуется, т. к. в силу принципа Паули при данном полном спине разрешены только такие трёхкварковые состояния, которые обладают вполне определённой симметрией относительно перестановок индексов i, k, 1, а именно: полностью симметричные для спина ³/₂и смешанной симметрии для спина ¹/₂. Это условие при l = 0 отбирает 20 барионных состояний для спина ³/₂ и 20 — для спина ¹/₂.

Более подробное рассмотрение показывает, что значение кваркового состава и свойств симметрии кварковой системы даёт возможность определить все основные квантовые числа адрона (J, Р, В, Q, I, Y, Ch), за исключением массы; определение массы требует знания динамики взаимодействия кварков и массы кварков, которое пока отсутствует.

Табл. 3. — Кварковый состав мезонов с J ^P = 0^—(↑↓)

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| π⁺ | pn | η’ | |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| π⁰ | | η_c | cc |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| π^- | pn | F⁺ | cλ |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| η | | F^- | cλ |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| K⁺ | pλ | D⁰ | pc |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| K⁰ | nλ | D^- | nc |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| K^- | pλ | D⁰ | pc |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| K⁰ | nλ | D⁺ | nc |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Табл. 4. — Кварковый состав мезонов с J ^P = 1^—(↑↑)

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| ρ⁺ | pn | φ | λλ |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| ρ⁰ | | ψ | cc |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| ρ^- | pn | F*⁺ | cλ |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| ω | | F*^- | cλ |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| K*⁺ | pλ | D*⁰ | pc |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| K*⁰ | nλ | D*^- | nc |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| K*^- | pλ | D*⁰ | pc |

|-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| K*⁰ | nλ | D*⁺ | nc |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

В качестве иллюстрации в табл. 3 и 4, 5 и 6 приведён вытекающий из описанных представлений кварковый состав мезонов 0^- и 1^- и барионов ¹/₂⁺ и ³/₂⁺ и его соответствие известным частицам (символы наблюдавшихся частиц подчёркнуты). Всюду в таблицах предполагается необходимое суммирование по цветам кварков. Как следует из таблиц, все обычные и странные адроны, которые должны существовать при заданной кварковой структуре, наблюдались экспериментально. Пока нет полных данных для адронов с Ch≠ 0, однако изученные частицы полностью соответствуют указанной картине.

Правильно передавая специфику адронов с наименьшими массами и спинами при заданных значениях Y и Ch, кварковая модель естественным образом объясняет также общее большое число адронов и преобладание среди них резонансов. Многочисленность адронов — отражение их сложного строения и возможности существования различных возбуждённых состояний кварковых систем. Не исключено, что число таких возбуждённых состояний неограниченно велико. Все возбуждённые состояния кварковых систем неустойчивы относительно быстрых переходов за счёт сильных взаимодействий в нижележащие состояния. Они и образуют основную часть резонансов. Небольшую долю резонансов составляют также кварковые системы с параллельной ориентацией спинов (за исключением Ω^-). Кварковые конфигурации с антипараллельной ориентацией спинов, относящиеся к осн. состояниям, образуют квазистабильные адроны и стабильный протон.

Возбуждения кварковых систем происходят как за счёт изменения вращательного движения кварков (орбитальные возбуждения), так и за счёт изменения их пространств. расположения (радиальные возбуждения). В первом случае рост массы системы сопровождается изменением суммарного спина Jи чётности Р системы, во втором случае увеличение массы происходит без изменения J^P. Например, мезоны с J^P = 2⁺ являются первым орбитальным возбуждением (l = 1) мезонов с J^P = 1^-. Соответствие 2⁺ мезонов и 1^-мезонов одинаковых кварковых структур хорошо прослеживается на примере многих пар частиц:

Мезоны ρ' и ψ' — примеры радиальных возбуждений ρ- и ψ-мезонов соответственно (см. табл. 1).

Орбитальные и радиальные возбуждения порождают последовательности резонансов, отвечающие одной и той же исходной кварковой структуре. Отсутствие надёжных сведений о взаимодействии кварков не позволяет пока производить количественные расчеты спектров возбуждений и делать какие-либо заключения о возможном числе таких возбуждённых состояний.

При формулировке кварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы, открывающие возможность очень удобного описания адронов. В дальнейшем были проведены эксперименты, которые позволяют говорить о кварках как о реальных материальных образованиях внутри адронов. Первыми были эксперименты по рассеянию электронов нуклонами на очень большие углы. Эти эксперименты (1968), напоминающие классические опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц на атомах, выявили наличие внутри нуклона точечных заряженных образований. Сравнение данных этих экспериментов с аналогичными данными по рассеянию нейтрино на нуклонах (1973—75) позволило сделать заключение о средней величине квадрата электрического заряда этих точечных образований. Результат оказался удивительно близким к величине ¹/₂[(²/₃e)²+(¹/₃e)²]. Изучение процесса рождения адронов при аннигиляции электрона и позитрона, который предположительно идёт через последовательность процессов:

Табл. 5. — Кварковый состав барионов с J ^P = ½⁺(↑↑↓)

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| p | ppn | ∑_c⁰ | nnc |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| n | pnn | Λ⁺_c | [pn]c |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Λ⁰ | [pn]λ | | {pλ}c |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Σ⁺ | ppλ | | {nλ}c |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Σ⁰ | {pn}λ | | [pλ]c |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Σ^- | nnλ | | [nλ]c |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ξ⁰ | pλλ | | λλc |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ξ^- | nλλ | | pcc |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | Ppc | | ncc |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| | {pn}c | | λcc |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Табл. 6. — Кварковый состав барионов с J ^P = ³∕₂

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Δ⁺⁺ | {ppp} | | {ppc} |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Δ⁺ | {ppn} | | {pnc} |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Δ⁰ | {pnn} | | {nnc} |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Δ^- | {nnn} | | {pλc} |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Σ^*⁺ | {ppλ} | | {nλc } |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Σ^*⁰ | {pnλ} | | {λλc } |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Σ^*^- | {nnλ} | | {pcc} |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ξ^*⁰ | {pλλ} | | {ncc} |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ξ^* | {nλλ} | | {λcc} |

|----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| Ω^- | {λλλ} | | {ccc} |

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Т. о., квантовые числа кварков, введённые на основании теоретических соображений, получили подтверждение в ряде экспериментов. Кварки постепенно приобретают статус новых Э. ч. Если дальнейшие исследования подтвердят это заключение, то кварки являются серьёзными претендентами на роль истинно Э. ч. для адронной формы материи. До длин Элементарные частицы 10^-15 см кварки выступают как точечные бесструктурные образования. Число известных видов кварков невелико. В дальнейшем оно может, конечно, измениться: нельзя поручиться за то, что при более высоких энергиях не будут обнаружены адроны с новыми квантовыми числами, обязанные своим существованием новым типам кварков. Обнаружение Y -мезонов подтверждает эту точку зрения. Но вполне возможно, что увеличение числа кварков будет небольшим, что общие принципы накладывают ограничения на полное число кварков, хотя эти ограничения пока неизвестны. Бесструктурность кварков также, возможно, отражает лишь достигнутый уровень исследования этих материальных образований. Однако ряд специфических особенностей кварков даёт некоторые основания предполагать, что кварки являются частицами, замыкающими цепь структурных составляющих материи.

От всех других Э. ч. кварки отличаются тем, что в свободном состоянии они пока не наблюдались, хотя имеются свидетельства их существования в связанном состоянии. Одной из причин ненаблюдения кварков может быть их очень большая масса, что препятствует их рождению при энергиях современных ускорителей. Не исключено, однако, что кварки принципиально, в силу специфики их взаимодействия, не могут находиться в свободном состоянии. Существуют доводы теоретического и экспериментального характера в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабляются с расстоянием. Это означает, что для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Невозможность выделить кварки в свободном состоянии делает их совершенно новым типом структурных единиц вещества. Неясно, например, можно ли ставить вопрос о составных частях кварков, если сами кварки нельзя наблюдать в свободном состоянии. Возможно, что в этих условиях части кварков физически вообще не проявляются и поэтому кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи.

Элементарные частицы и квантовая теория поля. Для описания свойств и взаимодействий Э. ч. в современной теории существенное значение имеет понятие физ. поля, которое ставится в соответствие каждой частице. Поле есть специфическая форма материи; оно описывается функцией, задаваемой во всех точках (х)пространства-времени и обладающей определёнными трансформационными свойствами по отношению к преобразованиям группы Лоренца (Скаляр, Спинор, Вектор и т. д.) и групп «внутренних» симметрий (изотопический скаляр, изотопический спинор и т. д.). Электромагнитное поле, обладающее свойствами четырёхмерного вектора А_μ(х) (μ = 1, 2, 3, 4), — исторически первый пример физического поля. Поля, сопоставляемые с Э. ч., имеют квантовую природу, т. е. их энергия и импульс слагаются из множества отд. порций — квантов, причём энергия E_k и импульс p_k кванта связаны соотношением специальной теории относительности: E_k²= p_k²c² + m²c². Каждый такой квант и есть Э. ч. с заданной энергией E_k, импульсом p_k и массой т. Квантами электромагнитного поля являются фотоны, кванты других полей соответствуют всем остальным известным Э. ч. Поле, т. о., есть физическое отражение существования бесконечной совокупности частиц — квантов. Специальный математический аппарат квантовой теории поля позволяет описать рождение и уничтожение частицы в каждой точке х.

Трансформационные свойства поля определяют все квантовые числа Э. ч. Трансформационные свойства по отношению к преобразованиям пространства-времени (группе Лоренца) задают спин частиц. Так, скаляру соответствует спин 0, спинору — спин ¹/₂, вектору — спин 1 и т. д. Существование таких квантовых чисел, как L, В, 1, Y, Ch и для кварков и глюонов «цвет», следует из трансформационных свойств полей по отношению к преобразованиям «внутренних пространств» («зарядового пространства», «изотопического пространства», «унитарного пространства» и т. д.). Существование «цвета» у кварков, в частности, связывается с особым «цветным» унитарным пространством. Введение «внутренних пространств» в аппарате теории — пока чисто формальный приём, который, однако, может служить указанием на то, что размерность физического пространства-времени, отражающаяся в свойствах Э. ч., реально больше четырёх — размерности пространства-времени, характерной для всех макроскопических физических процессов. Масса Э. ч. не связана непосредственно с трансформационными свойствами полей; это дополнительная их характеристика.

Для описания процессов, происходящих с Э. ч., необходимо знать, как различные физические поля связаны друг с другом, т. е. знать динамику полей. В современном аппарате квантовой теории поля сведения о динамике полей заключены в особой величине, выражающейся через поля — лагранжиане (точнее, плотности лагранжиана) L. Знание L позволяет в принципе рассчитывать вероятности переходов от одной совокупности частиц к другой под влиянием различных взаимодействий. Эти вероятности даются т. н. матрицей рассеяния (См. Матрица рассеяния)(В. Гейзенберг, 1943), выражающейся через L. Лагранжиан L состоит из лагранжиана L_вз, описывающего поведение свободных полей, и лагранжиана взаимодействия L_вз, построенного из полей разных частиц и отражающего возможность их взаимопревращений. Знание L_вз является определяющим для описания процессов с Э. ч.

Вид L_вз однозначно определяется трансформационными свойствами полей относительной группы Лоренца и требованием инвариантности относительно этой группы (релятивистская инвариантность). В течение длительного времени не были, однако, известны критерии для нахождения L_вз (за исключением электромагнитных взаимодействий), а сведения о взаимодействиях Э. ч., полученные из эксперимента, в большинстве случаев не позволяли осуществить надёжный выбор между различными возможностями. В этих условиях широкое распространение получил феноменологический подход к описанию взаимодействий, основанный либо на выборе простейших форм L_вз, ведущих к наблюдаемым процессам, либо на прямом изучении характерных свойств элементов матрицы рассеяния. На этом пути был достигнут значительный успех в описании процессов с Э. ч. для различных выделенных областей энергий. Однако многие параметры теории заимствовались из эксперимента, а сам подход не мог претендовать на универсальность.

В период 50—70-х гг. был достигнут значительный прогресс в понимании структуры L_вз, который позволил существенно уточнить его форму для сильных и слабых взаимодействий. Решающую роль в этом продвижении сыграло выяснение тесной связи между свойствами симметрии взаимодействий Э. ч. и формой L_вз.

Симметрия взаимодействий Э. ч. находит своё отражение в существовании законов сохранения определённых физических величин и, следовательно, в сохранении связанных с ними квантовых чисел Э. ч. (см. Сохранения законы). Точная симметрия, имеющая место для всех классов взаимодействий, отвечает наличию у Э. ч. точных квантовых чисел; приближённая симметрия, характерная лишь для некоторых классов взаимодействий (сильных, электромагнитных), приводит к неточным квантовым числам. Отмечавшееся выше различие классов взаимодействий в отношении сохранения квантовых чисел Э. ч. отражает различия в свойствах их симметрии.

Известная форма L_вз^{эл. м.} для электромагнитных взаимодействий есть следствие существования очевидной симметрии лагранжиана L относительно умножения комплексных полей φ заряженных частиц, входящих в него в комбинациях типа φ*φ (здесь * означает комплексное сопряжение), на множитель eⁱ^α, где α — произвольное действительное число. Эта симметрия, с одной стороны, порождает закон сохранения электрического заряда, с другой стороны, если требовать выполнения симметрии при условии, что α произвольно зависит от точки х пространства-времени, однозначно приводит к лагранжиану взаимодействия:

L_вз^{эл. м.} = j_μ^{эл. м.} (x) A_μ(x) (1)

где j_μ^{эл. м.} — четырёхмерный электромагнитный ток (см. Электромагнитные взаимодействия). Как выяснилось, этот результат имеет общее значение. Во всех случаях, когда взаимодействия проявляют «внутреннюю» симметрию, т. е. лагранжиан инвариантен относительно преобразований «внутреннего пространства», а у Э. ч. возникают соответствующие квантовые числа, следует требовать, чтобы инвариантность имела место при любой зависимости параметров преобразования от точки х (т. н. локальная калибровочная инвариантность; Ян Чжэнь-нин, американский физик Р. Миллс, 1954). Физически это требование связано с тем, что взаимодействие не может мгновенно передаваться от точки к точке. Указанное условие удовлетворяется, когда среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуют векторные поля (аналоги A_μ(x)), изменяющиеся при преобразованиях «внутренней» симметрии и взаимодействующие с полями частиц вполне определённым образом, а именно:

L_вз = ∑_ρ=1ⁿ j_μ^ρ (x) V_μ^ρ (x), (2)

где j_μ^ρ (x)— токи, составленные из полей частиц, V_μ^ρ (x) — векторные поля, называются часто калибровочными полями. Т. о., требование локальности «внутренней» симметрии фиксирует форму L_вз и выделяет векторные поля как универсальные переносчики взаимодействий. Свойства векторных полей и их число «n» определяются свойствами группы «внутренней» симметрии. Если симметрия точная, то масса кванта поля V_μ^ρ равна 0. Для приближенной симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля. Вид тока j_μ^ρ определяется полями частиц с ненулевыми квантовыми числами, связанными с группой «внутренней» симметрии.

На основании изложенных принципов оказалось возможным подойти к вопросу о взаимодействии кварков в нуклоне. Эксперименты по рассеянию нейтрино и антинейтрино на нуклоне показали, что импульс нуклона лишь частично (примерно на 50%) переносится кварками, а остальная его часть переносится другим видом материи, которая не взаимодействует с нейтрино. Предположительно эта часть материи состоит из частиц, которыми обмениваются кварки и за счёт которых они удерживаются в нуклоне. Эти частицы получили название «глюонов» (от английского glue — клей). С изложенной выше точки зрения на взаимодействия эти частицы естественно считать векторными. В современной теории их существование связывается с симметрией, обусловливающей появление «цвета» у кварков. Если эта симметрия точная (цветная SU(3)-симметрия), то глюоны — безмассовые частицы и их число равно восьми (американский физик И. Намбу, 1966). Взаимодействие кварков с глюонами даётся L_вз со структурой (2), где ток j_μ^ρ составлен из полей кварков. Имеется и основание предполагать, что взаимодействие кварков, обусловленное обменом безмассовыми глюонами, приводит к силам между кварками, не убывающим с расстоянием, но строго это не доказано.

Принципиально знание взаимодействия между кварками могло бы явиться основой для описания взаимодействия всех адронов между собой, т. е. всех сильных взаимодействий. Это направление в физике адронов быстро развивается.

Использование принципа определяющей роли симметрии (в т. ч. приближённой) в формировании структуры взаимодействия позволило также продвинуться в понимании природы лагранжиана слабых взаимодействий. Одновременно была вскрыта глубокая внутренняя связь слабых и электромагнитных взаимодействий. В указанном подходе наличие пар лептонов с одинаковым лептонным зарядом: е^-, v_e и μ^-, v_μ, но различными массами и электрическими зарядами расценивается не как случайное, а как отражающее существование нарушенной симметрии типа изотонической (группа SU(2)). Применение принципа локальности к этой «внутренней» симметрии приводит к характерному лагранжиану (2), в котором одновременно возникают члены, ответственные за электромагнитное и слабое взаимодействия (американский физик С. Вайнберг, 1967; А. Салам, 1968):

L_вз = j_μ^{эл. м.} + A_μ + j_μ^{сл. з.} W_μ⁺ + j_μ^{сл. з.} W_μ^- + j_μ^{сл. н.} Z_μ⁰ (3)

Здесь j_μ^{сл. з.}, j_μ^{сл. н.} — заряженный и нейтральный токи слабых взаимодействий, построенные из полей лептонов, W_μ⁺, W_μ^-, Z_μ⁰ — поля массивных (из-за нарушенности симметрии) векторных частиц, которые в этой схеме являются переносчиками слабых взаимодействий (т. н. промежуточные бозоны), A_μ — поле фотона. Идея существования заряженного промежуточного бозона была выдвинута давно (Х. Юкава, 1935). Важно, однако, что в данной модели единой теории электрон магнитного и слабого взаимодействий заряженный промежуточный бозон появляется на равной основе с фотоном и нейтральным промежуточным бозоном. Процессы слабых взаимодействий, обусловленные нейтральными токами, были обнаружены в 1973, что подтверждает правильность только что изложенного подхода к формулировке динамики слабых взаимодействий. Возможны и другие варианты написания лагранжиана L_вз^слс большим числом нейтральных и заряженных промежуточных бозонов; для окончательного выбора лагранжиана экспериментальных данных ещё недостаточно.

Экспериментально промежуточные бозоны пока не обнаружены. Из имеющихся данных массы W^± и Z⁰ для модели Вайнберга — Салама оцениваются примерно в 60 и 80 Гэв.

Электромагнитное и слабое взаимодействия кварков можно описать в рамках модели, аналогичной модели Вайнберга — Салама. Рассмотрение на этой основе электромагнитных и слабых взаимодействий адронов даёт хорошее соответствие наблюдаемым данным. Общей проблемой при построении таких моделей является неизвестное пока полное число кварков и лептонов, что не позволяет определить тип исходной симметрии и характер её нарушения. Поэтому очень важны дальнейшие экспериментальные исследования.

Единое происхождение электромагнитных и слабых взаимодействий означает, что в теории исчезает как независимый параметр константа слабых взаимодействий. Единственной константой остаётся электрический заряд е. Подавленность слабых процессов при небольших энергиях объясняется большой массой промежуточных бозонов. При энергиях в системе центра масс, сравнимых с массами промежуточных бозонов, эффекты электромагнитных и слабых взаимодействий должны быть одного порядка. Последние, однако, будут отличаться несохранением ряда квантовых чисел (P, Y, Ch и т. д.).

Имеются попытки рассмотреть на единой основе не только электромагнитные и слабые, но также и сильные взаимодействия. Исходным для таких попыток является предположение об единой природе всех видов взаимодействий Э. ч. (без гравитационного). Наблюдаемые сильные различия между взаимодействиями считаются обусловленными значительным нарушением симметрии. Эти попытки ещё недостаточно разработаны и сталкиваются с серьёзными трудностями, в частности в объяснении различий свойств кварков и лептонов.

Развитие метода получения лагранжиана взаимодействия, основанного на использовании свойств симметрии, явилось важным шагом на пути, ведущем к динамической теории Э. ч. Есть все основания думать, что калибровочные теории поля явятся существенным составным элементом дальнейших теоретических построений.

Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц. Новейшее развитие физики Э. ч. явно выделяет из всех Э. ч. группу частиц, которые существенным образом определяют специфику процессов микромира. Эти частицы — возможные кандидаты на роль истинно Э. ч. К их числу принадлежат: частицы со спином ¹/₂ — лептоны и кварки, а также частицы со спином 1 — глюоны, фотон, массивные промежуточные бозоны, осуществляющие разные виды взаимодействий частиц со спином ¹/₂. В эту группу скорее всего следует также включить частицу со спином 2 — Гравитон; квант гравитационного поля, связывающий все Э. ч. В этой схеме многие вопросы, однако, требуют дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное число лептонов, кварков и различных векторных (с J = 1) частиц и существуют ли физические принципы, определяющие это число. Неясны причины деления частиц со спином ¹/₂ на 2 различные группы: лептоны и кварки. Неясно происхождение внутренних квантовых чисел лептонов и кварков (L, В, 1, Y, Ch) и такой характеристики кварков и глюонов, как «цвет». С какими степенями свободы связаны внутренние квантовые числа? С обычным четырёхмерным пространством-временем связаны только такие характеристики Э. ч., как J и Р. Какой механизм определяет массы истинно Э. ч.? Чем обусловлено наличие у Э. ч. различных классов взаимодействий с различными свойствами симметрии? Эти и другие вопросы предстоит решить будущей теории Э. ч.

Описание взаимодействий Э. ч., как отмечалось, связано с калибровочными теориями поля. Эти теории имеют развитый математический аппарат, который позволяет производить расчёты процессов с Э. ч. (по крайней мере принципиально) на том же уровне строгости, как и в квантовой электродинамике. Но в настоящем своём виде калибровочные теории поля обладают одним серьёзным недостатком, общим с квантовой электродинамикой, — в них в процессе вычислений появляются бессмысленные бесконечно большие выражения. С помощью специального приёма переопределения наблюдаемых величин (массы и заряда) — перенормировки — удаётся устранить бесконечности из окончательных результатов вычислений. В наиболее хорошо изученной электродинамике это пока не сказывается на согласии предсказаний теории с экспериментом. Однако процедура перенормировки— чисто формальный обход трудности, существующей в аппарате теории, которая на каком-то уровне точности должна сказаться на степени согласия расчётов с измерениями.

Появление бесконечностей в вычислениях связано с тем, что в лагранжианах взаимодействий поля разных частиц отнесены к одной точке х, т. е. предполагается, что частицы точечные, а четырёхмерное пространство-время остаётся плоским вплоть до самых малых расстояний. В действительности указанные предположения, по-видимому, неверны по нескольким причинам: а) истинно Э. ч., вероятнее всего, — материальные объекты конечной протяжённости; б) свойства пространства-времени в малом (в масштабах, определяемых т. н. фундаментальной длиной (См. Фундаментальная длина)) скорее всего радикально отличны от его макроскопических свойств; в) на самых малых расстояниях (Элементарные частицы10^-33 см) сказывается изменение геометрических свойств пространства-времени за счёт гравитации. Возможно, эти причины тесно связаны между собой. Так, именно учёт гравитации наиболее естественно приводит к размерам истинно Э. ч. порядка 10^-33 см, а фундамент, длина l₀ может быть связана с гравитационной постоянной f: — 10^-33 см.Любая из этих причин должна привести к модификации теории и устранению бесконечностей, хотя практическое выполнение этой модификации может быть весьма сложным.

Очень интересным представляется учёт влияния гравитации на малых расстояниях. Гравитационное взаимодействие может не только устранять расходимости в квантовой теории поля, но и обусловливать само существование первообразующих материи (М. А. Марков, 1966). Если плотность вещества истинно Э. ч. достаточно велика, гравитационное притяжение может явиться тем фактором, который определяет устойчивое существование этих материальных образований. Размеры таких образований должны быть Элементарные частицы10^-33 см. В большинстве экспериментов они будут вести себя как точечные объекты, их гравитационное взаимодействие будет ничтожно мало и проявится лишь на самых малых расстояниях, в области, где существенно изменяется геометрия пространства.

Т. о., наметившаяся тенденция к одновременному рассмотрению различных классов взаимодействий Э. ч. скорее всего должна быть логически завершена включением в общую схему гравитационного взаимодействия. Именно на базе одновременного учёта всех видов взаимодействий наиболее вероятно ожидать создания будущей теории Э. ч.

Лит.: Марков М. А., О природе материи, М., 1976; Газиорович С., Физика элементарных частиц, пер. с англ., М., 1969; Коккедэ Я., Теория кварков, пер. с англ., М., 1971; Perkins D. Н., Neutrinos and nucleon structure, «Contemporary Physics», 1975, v. 16, №2; Захаров В. И., Иоффе Б. Л., Окунь Л. Б., Новые элементарные частицы, «Успехи физических наук», 1975, т. 117, в. 2, с. 227; Боголюбов Н. Н., Ширков Д. В., Введение в теорию квантованных полей, 3 изд., М., 1976; Элементарные частицы и компенсирующие поля, пер. с англ., М., 1964; Бернстейн Дж., Спонтанное нарушение симметрии, калибровочные теории, механизм Хиггса и т. п., в кн.: Новости фундаментальной физики, пер. с англ., М., 1977, с 120—240.

А. А. Комар.

Большой энциклопедический словарь

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ частицы - мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц - способность к взаимным превращениям; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные "кирпичики мироздания", подобные атомам Демокрита. число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико. Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. 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 за время от 103 с для свободного нейтрона до 10-22 - 10-24 с для резонансов. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы "состоят" из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы. Классификация элементарных частиц производится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физических величин. Отдельную "группу" составляет фотон. частицы со спином 1/2, не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие сохраняющейся внутренней характеристикой - лептонным зарядом, образуют группу лептонов. Элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное, называются адронами. Характерным для адронов сильным взаимодействиям свойственно максимальное число сохраняющихся величин (законов сохранения), в т. ч. специфического для них - барионного заряда, странности, изотопического спина, "очарования". адроны делятся на барионы и мезоны. По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны - из кварка и антикварка. При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц), не запрещаемые законами сохранения. Последовательная теория элементарных частиц, которая предсказывала бы возможные значения масс элементарных частиц и другие их внутренние характеристики, еще не создана.

Современная энциклопедия

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ, общее название мельчайших частиц материи на следующем (после ядер) уровне строения материи (субъядерные частицы). К элементарным частицам относятся протон (p), нейтрон (n), электрон (e), фотон (g), нейтрино (n) и др. и их античастицы. Все элементарные частицы делятся на 2 группы - Адроны и лептоны (кроме фотона). Адроны не удовлетворяют строгому определению элементарности, т.к., по современным представлениям, являются составными - состоят из кварков. Всего известно более 350 элементарных частиц, большинство из них нестабильно. Число их продолжает расти.

Физическая энциклопедия

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Введение.

Э. ч. в точном значении этого термина — первичные, далее неразложимые ч-цы, из к-рых, по предположению, состоит вся материя. В совр. физике термин «Э. ч.» обычно употребляется не в своём точном значении, а менее строго — для наименования большой группы мельчайших ч-ц материи, подчинённых условию, что они не явл. атомами или ат. ядрами (исключение составляет протон). В эту группу помимо протона входят: нейтрон, электрон, фотон, а также пи-мезоны, мюоны, тяжёлые лептоны (t), нейтрино трёх типов (электронное, мюонное и t-нейтрино), странные частицы (К-мезоны, гипероны), разнообразные резонансы, мезоны со скрытым «очарованием» (J/y,y' и др.), «очарованные» частицы, ипсилон-частицы (?), «красивые» ч-цы, промежуточные векторные бозоны (W,Z°) — всего более 350 ч-ц, в осн. нестабильных. Их число продолжает расти (и, скорее всего, неограниченно велико). Большинство перечисл. ч-ц не удовлетворяет строгому определению элементарности, поскольку, по совр. представлениям, они (в частности, протон и нейтрон) явл. составными системами (см. ниже). Общее св-во всех этих ч-ц заключается в том, что они явл. специфич. формами существования материи, не ассоциированной в ядра и атомы (иногда по этой причине их наз. «субъядерными ч-цами»).

В соответствии со сложившейся практикой термин «Э. ч.» употребляется ниже в кач-ве общего назв. субъядерных ч-ц. При обсуждении ч-ц, претендующих на роль первичных элементов материи, будет использоваться термин «истинно Э. ч.».

Краткие исторические сведения.

Открытие Э. ч. явилось закономерным результатом общих успехов в изучении строения в-ва, достигнутых физикой к кон. 19 в. Первой открытой Э. ч. был эл-н — носитель отрицат. электрич. заряда в атомах (англ. физик Дж. Дж. Томсон, 1897). В 1919 англ. физик Э. Резерфорд обнаружил среди ч-ц, выбитых из ат. ядер, протоны — ч-цы с единичным положит. зарядом и массой, в 1840 раз превышающей массу эл-на. Другая ч-ца, входящая в состав ядра,— нейтрон — была открыта в 1932 англ. физиком Дж. Чедвиком. Представление о фотоне как ч-це берёт своё начало с работы нем. физика М. Планка (1900), выдвинувшего предположение о квантованности энергии эл.-магн. излучения абсолютно чёрного тела. В развитие идеи Планка А. Эйнштейн (1905) постулировал, что эл.-магн. излучение явл. потоком отд. квантов (фотонов), и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Прямые эксперим. доказательства существования фотона были даны амер. физиками Р. Милликеном (1912—15) и A. Комптоном (1922; (см. КОМПТОНА ЭФФЕКТ)). Существование нейтрино как особой Э. ч. впервые предположено B. Паули (1930); экспериментально электронное нейтрино открыто лишь в 1953 (амер. физики Ф. Райнес, К. Коуэн). Позитрон — ч-ца с массой эл-на, но с положит. электрич. зарядом, была обнаружена в составе косм. лучей амер. физиком К. Андерсоном в 1932. Позитрон был первой открытой античастицей (см. ниже). В 1936 Андерсон и С. Неддермейер (США) обнаружили при исследовании косм. лучей мюоны (обоих знаков электрич. заряда) — ч-цы с массой ок. 200 масс эл-на, а в остальном удивительно близкие по св-вам к е- и е+. В 1947 также в косм. лучах группой англ. физика С. Пауэлла были открыты p+- и p--мезоны. Существование подобных ч-ц было предположено япон. физиком X. Юкавой в 1935. В кон. 40-х— нач. 50-х гг. была открыта большая группа ч-ц с необычными св-вами, получивших назв. «странных». Первые ч-цы этой группы— К+- и К --мезоны, L-гипероны — были обнаружены в косм. лучах. Последующие открытия странных ч-ц были сделаны с помощью ускорителей заряж. ч-ц. С нач. 50-х гг. ускорители превратились в осн. инструмент для исследования Э. ч. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гипероны (1960), а в 1964 — самый тяжёлый гиперон W-. В 1960-х гг. на ускорителях было обнаружено большое число крайне неустойчивых (по сравнению с др. нестабильными, точнее, квазистабильными, Э. ч.) ч-ц, получивших назв. резонансов, составляющих осн. часть Э. ч. В 1962 выяснилось, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1974 были обнаружены массивные (в 3—4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые (по сравнению с обычными резонансами) J/y и y'-частицы. Они оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч.— «очарованных», первые представители к-рого (D°, D+, F+, L+c) были открыты в 1976. В 1975 был открыт тяжёлый аналог эл-на и мюона — t-лептон, в 1977 —?-частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981— «красивые» ч-цы, а в 1983— промежуточные векторные бозоны.

Т. о., за годы, прошедшие после открытия эл-на, было выявлено огромное число разнообразных микрочастиц. Мир Э. ч. оказался очень сложно устроенным, а их св-ва во мн. отношениях неожиданными.

Основные свойства. Классы взаимодействий.

Все Э. ч. явл. объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6
• 10-24 г (для ч-ц с ненулевой массой заметно меньше лишь масса эл-на: 0,9
• 10-27 г). Размеры протона, нейтрона, p-мезона и др. адронов порядка 10-13 см, а эл-на и мюона не определены, но они меньше 10-16 см. Микроскопич. массы и размеры Э. ч. обусловливают квант. специфику их поведения. Характерные де-бройлевские длины волн Э. ч., как правило, сравнимы или больше их типичных размеров. В соответствии с этим квант. закономерности явл. определяющими в поведении Э. ч.

Наиболее важное квант. св-во всех Э. ч.— способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при вз-ствии с др. ч-цами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Все процессы с Э. ч. (включая распады) протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.

Разл. процессы с Э. ч. при изуч. энергиях заметно отличаются по интенсивности протекания. В соответствии с этим вз-ствия Э. ч. феноменологически делят на неск. классов: сильное, эл.-магн. и слабое. Кроме того, все Э. ч. обладают гравитац. вз-ствием.

Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с др. процессами, интенсивностью, и приводит к самой сильной связи Э. ч. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов.

В основе электромагнитного взаимодействия лежит связь ч-ц с эл.-магн. полем. Обусловленные им процессы менее интенсивны, чем процессы сильного вз-ствия, а порождаемая им связь Э. ч. заметно слабее. Эл.-магнитное взаимодействие, в частности, ответственно за связь ат. электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с Э. ч., в том числе распады квазистабильных Э. ч., времена жизни большинства к-рых лежат в диапазоне 10-6—10-14с.

Гравитац. вз-ствие на характерных для Э. ч. расстояниях =10-13 см даст чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс Э. ч., но может быть существенным на расстояниях =10-33 см (см. ниже).

«Силу» разл. классов вз-ствий Э. ч. можно приближённо охарактеризовать безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант связи для соответствующих вз-ствий. Для сильного, эл.-магн., слабого и гравитац. вз-ствий протонов при энергии процесса в системе центра инерции (с. ц. и.) =1 ГэВ эти параметры соотносятся как 1:10-2:10-10:10-38. Необходимость указания энергии процесса связана с тем, что для слабого вз-ствия безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами интенсивности разл. процессов по-разному зависят от энергии. Это приводит к тому, что относит. роль разл. вз-ствий, вообще говоря, меняется с ростом энергии ч-ц, так что разделение вз-ствий на классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно осуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные классы вз-ствий имеют, однако, и др. специфику, связанную с разл. св-вами их симметрии, к-рая способствует их разделению и при более высоких энергиях. В пределе самых больших энергий деление вз-ствий Э. ч. на классы, по-видимому, утрачивает физ. смысл (см. ВЕЛИКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ).

В зависимости от участия в тех или иных видах вз-ствий все изуч. Э. ч., за исключением фотона, разбиваются на две осн. группы: адроны и лептоны. Адроны характеризуются наличием у них сильного вз-ствия наряду с эл.-магн. и слабым, лептоны участвуют только в эл.-магн. и слабом вз-ствиях. (Наличие гравитац. вз-ствия у всех Э. ч., включая фотон, подразумевается.)

Характеристики Э. ч.

Каждая Э. ч. наряду со спецификой присущих ей вз-ствий описывается набором дискр. значений определ. физ. величин -своими хар-ками (дискр. значения, измеренные в соответствующих ед., обычно образуют совокупность целых или дробных чисел, к-рые наз. квант. числами Э. ч.). Общими хар-ками всех Э. ч. явл. масса т, время жизни т, спин J и электрич. заряд Q.

В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными в пределах точности совр. измерений явл. эл-н (t>5
• 1021 лет), протон (t>1031 лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят ч-цы, распадающиеся за счёт эл.-магн. и слабого вз-ствий; их времена жизни t>10-20 с. Резонансами наз. Э. ч., распадающиеся за счёт сильного вз-ствия; их характерные времена жизни 10-22 —10-24 с. Спин Э. ч. явл. целым или полуцелым кратным постоянной Планка п. В этих ед. спин я- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и эл-на J=1/2, у фотона J=1 и т. д. Существуют ч-цы и с большим спином. Электрич. заряды Э. ч. явл. целыми кратными величины е»1,6
• 10-19 Кл, наз. элементарным электрическим зарядом. У известных Э. ч. Q=0, ±1, ±2.

Помимо указанных величин, Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом квант. чисел, к-рые наз. «внутренними». Лептоны несут специфич. лептонный заряд (L): электронный Le, равный +1 для е- и ve, мюонный Lm, равный +1 для m- и vm, и Lt, связанный с t-лептоном (Lt =+1 для t-и -1 для t+). Для адронов L=0. Адронам с полуцелым спином приписывают барионный заряд В(¦В¦=1). Адроны с B=+1 образуют подгруппу барионое, с В=0 — подгруппу мезонов. Для лептонов В=0. Для фотона B=0 и L=0.

Адроны подразделяются на обычные (нестранные) ч-цы (протон, нейтрон, p-мезоны), странные ч-цы, «очарованные» и «красивые» ч-цы. Этому делению отвечает наличие у адронов особых квант. чисел: странности S, «очарования» С и «красоты» b. Внутри разных групп адронов имеются семейства ч-ц, близких по массе, с очень сходными св-вами по отношению к сильному вз-ствию, но с разл. значениями электрич. заряда. Э. ч., входящие в каждое такое семейство (простейший пример к-рого — протон и нейтрон), имеют общее квант. число — изотопический спин I (см. ИЗОТОПИЧЕСКАЯ ИНВАРИАНТНОСТЬ), принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. Семейства наз. изотопич. мультиплетами. Число ч-ц в мультиплете равно 2I+1; они отличаются друг от друга значением «проекции» изотопич. спина I3, и соответствующие значения их электрич. зарядов даются обобщённой ф-лой Гелл-Мана — Нишиджимы:

Q = I3 +Y/2,

где Y=B+S+C-b — т. н. гиперзаряд адрона, равный удвоенному ср. заряду ч-цы в изотопич. мультиплете. Важная хар-ка адронов — внутр. чётность Р, принимающая значения ±1. Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного из квант. чисел Q, L, В, S, С, b существуют античастицы с теми же значениями массы, времени жизни, спина и для адронов — изотопич. спина, но с противоположными знаками указанных квант. чисел, а для барионов — с противоположным знаком внутр. чётности. Ч-цы, тождественные своим античастицам, наз. истинно нейтральными. Истинно нейтр. адроны обладают спец. квант. числом — зарядовой чётностью С со значениями ±1; примеры таких ч-ц — фотон, p°,?-частицы.

Квант. числа Э. ч. разделяются на точные, т. е. сохраняющиеся во всех процессах, и неточные, к-рые в ряде процессов не сохраняются. Спин J — точное квант. число. На уровне совр. знаний точными явл. и квант. числа Q, В, L, хотя теоретически допустимы нарушения сохранения В и L. Большинство квант. чисел адронов неточные. Изотопич. спин, сохраняясь в сильном вз-ствии, не сохраняется в эл.-магн. и слабом. Странность, «очарование», «красота» сохраняются в сильном и эл.-магн. вз-ствиях, но не сохраняются в слабом. Слабое вз-ствие изменяет также внутр. и зарядовую чётности. Причины несохранения квант. чисел адронов неясны и, по-видимому, связаны со структурой эл.-магн. и слабого вз-ствий. Сохранение или несохранение тех или иных квант. чисел — одно из существ. проявлений различий классов вз-ствий Э. ч.

В табл. 1 приведены наиб. хорошо изученные Э. ч. и их квант. числа. Из неё следует, что осн. часть 0. ч.— адроны.

Классификация адронов. Унитарная симметрия.

Большое число адронов уже в нач. 50-х гг. явилось основанием для поисков закономерностей в распределении масс и квант. чисел барионов и мезонов, к-рые могли бы составить основу их классификации. Выделение изотопич. мультиплетов адронов было первым шагом на этом пути. С матем. точки зрения объединение адронов в изотопич. мультиплеты отражает наличие у них симметрии, связанной с группой унитарных преобразований в нек-ром двумерном «внутр. пр-ве» — «изотопич. пр-ве» (с группой SU(2)). Изотопические мультиплеты суть неприводимые представления группы SU(2).

Концепция симметрии как фактора, определяющего существование разл. групп и семейств Э. ч., явл. ведущей в совр. теории Э. ч. Наличие «внутр.» квант. чисел, характеризующих эти семейства (таких, как изотопич. спин и др.), отражает существование симметрии относительно преобразований в особых, приписываемых Э. ч. «внутренних пр-вах».

Детальное рассмотрение позволило сделать вывод о том, что странные и обычные адроны в совокупности образуют более широкие объединения ч-ц с близкими св-вами, чем изотопич. мультиплеты. Они наз. унитарными мультиплетами. Числа входящих в них ч-ц равны 8 (октет) и 40 (декуплет). Ч-цы такого мультиплета имеют одинаковые спин и внутр. чётность, но различаются значениями не только электрич. заряда (как ч-цы изотопич. мультиплета), но и странности. Пример унитарных октетов:

мезонов, Jp= 0-: p+, p°, p-, h, К+, К°, К-, К=°,

барионов, Jp = 1/2+: S+, S°, S-, L, p, n, X-, X°

и унитарного декуплета барионов: Jp=3/2+: D1++, D1+, D, L1-, S*+, S*°, S*-, X*-, X*°, W-.

Возникновение унитарных мультиплетов истолковывается как проявление существования у адронов группы симметрии более широкой, чем SU(2), а именно группы SU(3). Соответствующая симметрия получила назв. унитарной симметрии; 8 и 10 — размерности неприводимых представлений группы SU(3). Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая. В соответствии с этим различие в массах ч-ц, входящих в унитарные мультиплеты, довольно значительно.

Открытие «очарованных» и «красивых» адронов позволяет говорить об унитарных сверхмультиплетах и о существовании ещё более широких симметрии, связанных с унитарными группами SU(4) и SU(5), хотя и сильно нарушенных.

Обнаружение у адронов св-в симметрии, связанных с унитарными группами, и закономерностей разбиения на мультиплеты, отвечающие строго определ. представлениям этих групп, явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из к-рых построены адроны, — кварков.

Кварковая модель адронов.

Теория унитарных групп позволяет построить все представления группы SU(n) (и, следовательно, все мультиплеты адронов), повторяя определ. число раз самое простое представление группы, содержащее n компонент. Допуская наличие ч-ц (кварков), связанных с этим простейшим представлением, можно заключить, что все адроны явл. комбинациями кварков. Такое допущение было сделано в 1964 (Г. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман, США). Исходя из SU(3)-симметрии, они предположили наличие трёх фундам. ч-ц со спином 1/2: u-, d-, s-кварков (совр. обозначения), из к-рых построены адроны. Наблюдаемая размерность унитарных мультиплетов (8 и 10) была воспроизведена при допущении, что мезоны составлены из кварка (q) и антикварка (q=),— символически: М=(qq=), a барионы из трёх кварков,— символически: В=(qqq). В дальнейшем с учётом новых эксперим. фактов эта модель строения адронов была расширена путём включения в неё ещё двух кварков: «очарованного» (с) и «красивого» (b). Все эксперим. данные хорошо согласуются с предлож. моделью.

Табл. 1. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Примечание. Слева звёздочкой помечены резонансы, для к-рых вместо времени жизни т приведена ширина Г=ћ/t. Истинно нейтр. ч-цы помещены посередине между ч-цами и античастицами. Члены одного изотопич. мультиплета расположены на одной строке (в тех случаях, когда известны хар-ки каждого члена мультиплета, —с небольшим смещением по вертикали). Изменение знака внутр. чётности Р у антибарионов, так же как изменение знаков S и С у всех античастиц, не указано. Для лептонов, участвующих в характерном для них слабом вз-ствии, Р не явл. хорошим (сохраняющимся) квант. числом и поэтому не приведена.

Табл. 2. ХАРАКТЕРИСТИКИ КВАРКОВ

Из теории получаются квант. числа кварков, приведённые в табл. 2. Отличительная их черта — дробные значения электрич. и барионного зарядов, не встречающиеся ни у одной из наблюдавшихся Э. ч. С индексом а у каждого типа («аромата») кварка qi (i=l, 2, 3, 4, 5) связана особая хар-ка— «цвет», введение к-рой понадобилось для того, чтобы не возникало противоречия с принципом Паули при построении адронов, состоящих из трёх одинаковых кварков (D++(uuu), D- (ddd), W-(sss)). Индекс a принимает значения 1, 2, 3, т. е. каждый тип кварка qi представлен тремя разновидностями qai(Н. Н. Боголюбов с сотрудниками, 1965; Й. Намбу и М. Хан (США), 1965). Введение трёх «цветов» позволяет в принципе построить систематику адронов и на основе кварков с целыми электрич. и барионными зарядами, хотя эксперимент скорее всего не свидетельствует в пользу такой возможности. В наблюдаемых адронах кварки разных «цветов» скомбинированы т. о., что возникающие состояния не несут «цвета» — явл. «бесцветными».

В табл. 2 но приведены массы кварков. Это связано с тем, что кварки пока выступают лишь как составные части адронов,— в свободном состоянии они не наблюдались, и их массы непосредственно невозможно было измерить. На основании величин масс разл. связ. состояний кварков (обычные, странные, «очарованные» адроны,?-частицы) можно только заключить, что эфф. массы m кварков, входящих в адроны, подчиняются след. закономерности:

mu?md < ms <- mc < mb.

Всё многообразие адронов возникает за счёт разл, сочетаний u-, d-, s-, с- и b-кварков, образующих связ. состояния. Обычным адронам (напр., нуклонам, p-мезонам) соответствуют связ. состояния, построенные только из u- и d-кварков (для мезонов с возможным участием комбинаций (ss=), (cc=), (bb=)). Наличие в связ. состоянии, наряду с u- и d-кварками, одного s-, с- или b-кварка означает, что соответствующий адрон странный (S=-1), «очарованный» (С = + 1) или «красивый» (b=+1). В состав бариона могут входить два и три s-кварка (соотв. с- или 6-кварка), возможны и их более сложные сочетания.

Поскольку спин кварков равен 1/2, из приведённой кварковой структуры адронов следует (в полном соответствии с экспериментом) целый спин у мезонов и полуцелый у барионов. При этом в состояниях, отвечающих орбит. моменту l=0, в частности в осн. состояниях, значения спина мезонов должны равняться 0 или 1 (для антипараллельной ? и параллельной ориентации спинов кварков), а спина барионов — 1/2 или 3/2 (для спиновых конфигураций ? и ). С учётом того, что внутр. чётность системы кварк-антикварк отрицательна, значения Jp при l=0 для мезонов равны 0- и 1-, для барионов -1/2+ и 3/2+. Именно эти значения Jp наблюдаются у адронов, имеющих наименьшую массу при заданных значениях I, S и С (см. табл. 1).

Табл. 3. КВАРКОВЫЙ СОСТАВ МЕЗОНОВ с JP=0-

В кач-ве иллюстрации в табл. 3 и 4 приведены вытекающие из описанных представлений кварковые составы мезонов с Jp=0- и барионов с Jp=1/2+ и указаны их соответствия известным ч-цам (символы наблюдавшихся ч-ц подчёркнуты).

Кварковая модель объясняет наличие большого числа адронов и преобладание среди них резонансов. Многочисленность адронов — отражение их сложного строения и возможности существования различных возбуждённых состояний кварковых систем. Последние и образуют осн. часть резонансов.

Табл. 4. КВАРКОВЫЙ СОСТАВ БАРИОНОВ С JP=1/2+

Примечание. Индекс А и ( ) означают антисимметризацию, индекс S и ( )—симметризацию; всюду предполагается суммирование по «цветам» кварков.

При первонач. формулировке кварковой модели кварки рассматривались как гипотетические структурные элементы, открывающие возможность удобной классификации адронов. В результате экспериментов, проведённых в кон. 60-х — нач. 70-х гг., выяснилось, что гипотеза кварков наиболее простым и естеств. образом объясняет мн. динамические закономерности вз-ствия с участием адронов. Именно это позволяет говорить о кварках как о реальных матер. образованиях внутри адронов. Эти эксперименты подтвердили наличие таких структурных единиц в адронах с приписываемыми им теорией квант. числами, включая «цвет» и дробный электрич. заряд. Кварки фактически приобрели статус новых Э. ч. и выступают в кач-ве претендентов на роль истинно Э. ч. для адронной формы материи. До длин =10-16 см кварки ведут себя как точечные, бесструктурные образования. Число известных видов кварков пока невелико, хотя не исключён нек-рый рост их числа. Ненаблюдаемость кварков в свободном состоянии даёт дополнит. основания предполагать, что они явл. теми ч-цами, к-рые замыкают цепь структурных составляющих в-ва.

Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный хар-р. Существуют теор. и эксперим. доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия, или, иначе, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц в-ва. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления адронной материи.

Элементарные частицы и квантовая теория поля.

Для описания св-в и вз-ствий Э. ч. в совр. теории существ. значение имеет понятие физ. поля, к-рое ставится в соответствие каждой ч-це. Поле есть специфич. форма распределённой в пр-ве материи; оно описывается ф-цией, задаваемой во всех точках пространства-времени (х) и обладающей определ. трансформац. св-вами по отношению к преобразованиям группы Лоренца (скаляр, спинор, вектор и т. д.) и групп «внутр.» симметрии (изотопич. скаляр, изотопич. спинор и т. д.). Эл.-магн. поле— исторически первый пример физ. поля. Поля, сопоставляемые с Э. ч., имеют квант. природу. Каждый квант поля и есть Э. ч. с общими для всех квантов данного поля массой и спином. Квантами эл.-магн. поля явл. фотоны, кванты др. полей соответствуют всем остальным известным Э. ч. Матем. аппарат квант. теории поля (КТП) позволяет описать рождение и уничтожение ч-цы в каждой пространственно-временной точке х.

Трансформац. св-ва поля определяют все квант. числа Э. ч. Трансформац. св-ва по отношению к преобразованиям группы Лоренца задают спин ч-ц: скаляру соответствует спин J=0, спинору -J=1/2, вектору -J=1 и т. д. Трансформац. св-ва полей по отношению к преобразованиям «внутр. пр-в» задают такие квант. числа Э. ч., как L, В, I, S С, b, а для кварков и глюонов (см. ниже) — «цвет». Масса Э. ч. не связана с трансформац. св-вами полей, это их дополнит. хар-ка.

Для описания процессов, происходящих с Э. ч., в КТП используется т. н. лагранжев формализм. В лагранжиане (точнее, плотности лагранжиана)?, выражающемся через поля, заключены все сведения о динамике полей. Знание X позволяет в принципе, используя аппарат матрицы рассеяния (S-матрицы), рассчитывать вероятности переходов от одной совокупности ч-ц к другой под влиянием разл. вз-ствий. Лагранжиан X включает в себя лагранжиан?0, описывающий поведение свободных полей, и лагранжиан вз-ствия?вз, построенный из полей разных ч-ц и отражающий возможность взаимопревращений ч-ц. Знание?вз явл. определяющим для описания процессов с Э. ч. Выбор возможного вида?0 существ. образом определяется требованием релятивистской инвариантности. Критерии для нахождения вида?вз (исключая давно известный вид?вз для эл.-магн. процессов) были сформулированы в 50—70-х гг. при выяснении важной роли симметрии в определении динамики взаимодействующих полей. Существование той или иной симметрии вз-ствия устанавливается по наличию сохранения в процессах определ. физ. величин и соответствующих им квант. чисел. При этом точным квант. числам отвечает точная симметрия (т. е. симметрия всех классов вз-ствий), неточным квант. числам — симметрия лишь части вз-ствий (напр., сильного и эл.-магн.). Симметрия в сочетании с важным физ. требованием её соблюдения при произвольной зависимости преобразований группы симметрии от точки пространства-времени (локальная калибровочная инвариантность; Янг Чжэньнин, Р. Миллс, США, 1954 (см. КАЛИБРОВОЧНАЯ СИММЕТРИЯ), как оказалось, полностью задаёт вид =?вз. Требование локальной калибровочной инвариантности, физически связанное с тем, что вз-ствие не может мгновенно передаваться от точки к точке, удовлетворяется лишь в том случае, когда среди полей, входящих в лагранжиан, присутствуют векторные поля (аналоги эл.-магн. поля), взаимодействующие с полями Э. ч. вполне определ. образом, а именно:

?вз=Snr=1S3mjrm(x)Vrm(x) (1) (n — число калибровочных полей), где jrm(x) — токи, составленные из полей ч-ц и определяемые видом?0, Vrm(х) — векторные поля, наз. калибровочными полями. Векторные поля в этом подходе выделяются как универс. переносчики вз-ствий. Св-ва векторных полей и их число определяются св-вами группы «внутр.» симметрии. Если симметрия точная, то масса кванта поля Vrm равна нулю. Для приближённой симметрии масса кванта векторного поля отлична от нуля.

На основании излож. принципов была определена форма Vкз для кварков, лежащая в основе совр. теории сильного вз-ствия — квантовой хромодинамики. Исходным здесь явилось предположение, что симметрия, отвечающая появлению квант. числа «цвет» у кварков (т. н. «цветная» SU(3)-симметрия), явл. точной. Из требования локальности этой симметрии вытекало существование восьми калибровочных полей Grm (отвечающих безмассовым квантам этих полей — глюонам), переносящих вз-ствие между кварками и связанными с ними выражением типа (1) (Й. Намбу, США, 1966). Имеющиеся эксперим. данные хорошо согласуются с видом лагранжиана для сильного вз-ствия, выведенным таким способом.

Использование принципа определяющей роли симметрии (в т. ч. приближённой) в формировании структуры вз-ствия позволило также найти форму лагранжиана слабого вз-ствия. Одновременно была вскрыта глубокая внутр. связь слабого и эл.-магн. вз-ствий. Существование пар лептонов с одинаковыми лептонными зарядами: е-, ve; m-, vm и т. д., но с разл. массами и электрич. зарядами было истолковано как отражение существования нарушенной симметрии типа изотопической (группа SUсл(2)), а факт сохранения спиральности в слабых процессах был связан с существованием особого «слабого гиперзаряда» Yсл, различающего лептоны левой и правой спиральности (группа U(1)). При этом для «левых» лептонов YLсл =-1, для «правых» — YRсл=-2. Такое введение слабого гиперзаряда и предположение, что изотопич. спин «левых» лептонов I=1/2, а «правых» -I=0, позволяют использовать для лептонов ту же ф-лу для электрич. заряда, что и для адронов: Q=I3сл+Yсл/2, где I3сл — третья проекция «слабого изотопич. спина» «левых» лептонов (I3=-1/2 для e-L и + 1/2 для vеL). Применение принципа локальности к симметрии, связанной с группой SUсл(2)XU(1), привело к характерному лагранжиану (1), в к-ром одновременно возникли члены, ответственные за эл.-магн. и слабое вз-ствия лептонов (амер. физики С. Вайнберг, Ш. Глэшоу, пакист. физик А. Садам; кон. 60-х гг.):

Здесь jэл.-м.m — эл.-магн. ток, jсл. <з.m, jсл. <н.m — заряженные токи и нейтральные токи слабого вз-ствия, построенные из полей лептонов, Аm — поле фотона, W+m, W-m и Z°m— поля массивных (из-за нарушенности симметрии) векторных ч-ц — переносчиков слабого вз-ствия (промежуточных векторных бозонов).

Излож. подход легко обобщается на эл.-магн. и слабое вз-ствия кварков (амер. физики Ш. Глэшоу, Дж. Илиопулос, итал. физик Л. Майани, 1970). Эксперимент показывает, что при не слишком высоких энергиях лагранжиан слабого вз-ствия (ф-ла (2)) с учётом обобщения на кварки правильно описывает эл.-магн. и слабое вз-ствия. В указанном подходе массы W± и Z° оцениваются соотв. в 84 ГэВ и 95 ГэВ. В 1983 эти бозоны с приведёнными значениями масс были экспериментально обнаружены в столкновениях пучков р и р=.

Единое описание эл.-магн. и слабого вз-ствий означает, что в теории исчезает как независимый параметр константа слабого вз-ствия. Единств. константой остаётся электрич. заряд е. Подавленность слабых процессов при небольших энергиях объясняется большой массой промежуточных бозонов.

Имеются попытки рассмотреть на общей основе не только эл.-магн. и слабое, но также и сильное вз-ствие. Исходным явл. предположение о единой природе всех видов вз-ствий Э. ч. (кроме гравитационного) с характерной одной малой константой. Наблюдаемые большие различия между вз-ствиями считаются обусловленными значит. нарушением симметрии при изуч. энергиях. Единая природа и высокая степень симметрии вз-ствия могут проявиться только при энергиях =1014 ГэВ в с. ц. и. Кварки и лептоны при таком рассмотрении оказываются однотипными объектами, и становятся возможными их взаимные превращения. Практически неизбежным следствием таких рассмотрений явл. предсказание нестабильности протона со временем жизни =1030— 1032 лет.

Развитие метода, позволяющего определить вид лагранжиана вз-ствия на основе использования св-в симметрии, явилось важным шагом на пути, ведущем к созданию динамич. теории Э. ч. Есть все основания полагать, что калибровочные теории поля явятся непременным составным элементом дальнейших теор. построений.

Некоторые общие проблемы теории элементарных частиц. Новейшее развитие физики Э. ч. явно выделило из всех Э. ч. группу ч-ц, к-рые существ. образом определяют специфику процессов микромира. Эти ч-цы — возможные кандидаты на роль истинно Э. ч. К их числу относятся ч-цы со спином 1/2 — лептоны и кварки, а также ч-цы со спином 1 — глюоны, фотон, массивные промежуточные бозоны, осуществляющие разные виды вз-ствий ч-ц со спином 1/2. В эту группу скорее всего следует также включить ч-цу со спином 2 — гравитон, квант гравитац. поля, связывающий все Э. ч. В этой схеме мн. вопросы, однако, требуют дальнейшего исследования. Неизвестно, каково полное число лентонов, кварков и разл. векторных ч-ц и существуют ли физ. принципы, определяющие это число. Не вполне ясны причины деления ч-ц со спином 1/2 на две группы: лептоны и кварки. Неясно происхождение «внутр.» квант. чисел лептонов и кварков (L, В, I, S, С, b) и такой хар-ки кварков и глюонов, как «цвет», и с какими степенями свободы они связаны. Неизвестны механизм, определяющий массы истинно У. ч., и причины появления (при нарушении исходной симметрии) у Э. ч. разл. классов вз-ствий с разл. св-вами симметрии. Эти и др. проблемы предстоит решить будущей теории Э. ч. Описание вз-ствий Э. ч., как отмечалось, связано с калибровочными теориями поля. Эти теории, позволяющие рассчитывать вероятности переходов с Э. ч., в настоящем своём виде обладают одним серьёзным недостатком, общим с квант. электродинамикой,— у них в процессе вычислений получаются не имеющие физ. смысла бесконечно большие значения для нек-рых физ. величин (расходимости). С помощью спец. приёма переопределения наблюдаемых величин (массы, заряда) — перенормировки (ренормировки) удаётся устранить бесконечности из окончат. результатов вычислений. Однако процедура перенормировки — чисто формальный обход трудности, существующей в аппарате теории, к-рая на каком-то уровне точности должна сказаться на степени согласия расчётов с измерениями.

Появление бесконечностей в вычислениях связано с тем, что в лагранжианах вз-ствий поля разных ч-ц отнесены к одной пространственно-временной точке, т. е. предполагается, что ч-цы точечные. Кроме того, предполагается, что четырёхмерное пространство-время остаётся непрерывным и плоским (не искривлённым) вплоть до самых малых расстояний. В действительности указанные предположения, по-видимому, неверны по неск. причинам: а) истинно Э. ч., очевидно, должны быть матер. объектами конечной протяжённости; б) св-ва пространства-времени в малом (в масштабах, определяемых фундаментальной длиной) должны| радикально отличаться от его макроскопич. св-в; в) на самых малых расстояниях (=10-33 см) сказывается изменение геом. св-в пространства-времени за счёт гравитации. Возможно, эти причины тесно связаны между собой (так, фундам. длина l0 может быть связана с гравитац. постоянной (G): l0=O(ћG/c3)»10-33 см). Любая из них должна привести к модификации теории и устранению бесконечностей, хотя практич. выполнение этой модификации может быть весьма сложным.

Особенно интересным представляется учёт влияния гравитации на малых расстояниях. Гравитац. вз-ствие может не только устранить расходимости в КТП, но и обусловливать само существование первообразующих материи (М. А. Марков, 1966). Если плотность в-ва истинно Э. ч. достаточно велика, гравитац. притяжение может явиться тем фактором, к-рый определяет устойчивое существование этих матер. образований. Их размеры должны быть =10-33 см. В большинстве экспериментов они будут вести себя как точечные объекты, их гравитац. вз-ствие будет ничтожно мало и проявится лишь на самых малых расстояниях, в области, где существенно изменяется геометрия пространства-времени.

Т. о., наметившаяся тенденция к одноврем. рассмотрению разл. классов вз-ствий Э. ч. скорее всего должна быть логически завершена включением в общую схему гравитац. вз-ствия (см. СУПЕРСИММЕТРИЯ). Именно на базе одноврем. учёта всех видов вз-ствий наиб. вероятно ожидать создания будущей теории Э. ч.

Химическая энциклопедия

в узком смысле - частицы, к-рые нельзя считать Состоящими из других частиц. В совр. физике термин "Э. ч." используют в более широком смысле: так наз. мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами (исключение составляет протон); иногда по этой причине Э. ч. называют субъядерными частицами. Большая часть таких частиц (а их известно более 350) являются составными системами.

Э. ч. участвуют в электромагнитном, слабом, сильном и гравитационном взаимодействиях. Из-за малых масс Э. ч. их гравитационное взаимод. обычно не учитывается. Все Э. ч. разделяют на три осн. группы. Первую составляют т. наз. бозоны- переносчики электрослабого взаимодействия. Сюда относится фотон, или квант электромагнитного излучения. Масса покоя фотона равна нулю, поэтому скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (в т. ч. световых волн) представляет собой предельную скорость распространения физ. воздействия и является одной из фундам. физ. постоянных; принято, что с = (299792458 1,2) м/с.

Вторая группа Э. ч.- лептоны, участвующие в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Известно 6 лептонов: электрон, электронное нейтрино, мюон, мюонное нейтрино, тяжелый -лептон и соответствующее нейтрино. Электрон (символ е) считается материальным носителем наименьшей массы в природе m_с, равной 9,1 x 10^-28 г (в энергетич. единицах 0,511 МэВ) и наименьшего отрицат. электрич. заряда е =1,6 x 10^-19 Кл. Мюоны (символ ) - частицы с массой ок. 207 масс электрона (105,7 МэВ) и электрич. зарядом, равным заряду электрона; тяжелый -лептон имеет массу ок. 1,8 ГэВ. Соответствующие этим частицам три типа нейтрино - электронное (символ v_c), мюонное (символ ) и -нейтрино (символ ) - легкие (возможно, безмассовые) электрически нейтральные частицы.

Все лептоны имеют спин ( - постоянная Планка), т. е. по статистич. св-вам являются фермионами (см. Статистическая термодинамика).

Каждому из лептонов соответствует античастица, имеющая те же значения массы, спина и др. характеристик, но отличающаяся знаком электрич. заряда. Существуют позитрон (символ е ⁺) - античастица по отношению к электрону, положительно заряженный мюон (символ ) и три типа антинейтрино (символ ), к-рым приписывают противоположный знак особого квантового числа, наз. лептонным зарядом (см. ниже).

Третья группа Э. ч,- адроны, они участвуют в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Адроны представляют собой "тяжелые" частицы с массой, значительно превышающей массу электрона. Это наиб. многочисленная группа Э. ч. Адроны делятся на барионы - частицы со спином мезоны - частицы с целочисленным спином (О или 1); а также т. наз. резонансы - короткоживущие возбужденные состояния адронов. К барионам относят протон (символ р) - ядро атома водорода с массой, в ~ 1836 раз превышающей m_с и равной 1,672648 x 10^-24 г (938,3 МэВ), и положит. электрич. зарядом, равным заряду электрона, а также нейтрон (символ n) - электрически нейтральная частица, масса к-рой немного превышает массу протона. Из протонов и нейтронов построены все ядра атомные, именно сильное взаимод. обусловливает связь этих частиц между собой. В сильном взаимодействии протон и нейтрон имеют одинаковые св-ва и рассматриваются как два квантовых состояния одной частицы - нуклона с изотопич. спином (см. ниже). Барионы включают и гипероны - Э. ч. с массой больше нуклонной: -гиперон имеет массу 1116 МэВ, -гиперон- 1190 МэВ, -гиперон -1320 МэВ, -гиперон- 1670 МэВ. Мезоны имеют массы, промежуточные между массами протона и электрона ( -мезон, K-мезон). Существуют мезоны нейтральные и заряженные (с положит. и отрицат. элементарным электрич. зарядом). Все мезоны по своим сгатистич. св-вам относятся к бозонам.

Основные свойства Э. ч. Каждая Э. ч. описывается набором дискретных значений физ. величин (квантовых чисел). Общие характеристики всех Э. ч. - масса, время жизни, спин, электрич. заряд.

В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы). Стабильными (в пределах точности совр. измерений) являются: электрон (время жизни более 5 -10²¹ лет), протон (более 10³¹ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относятся частицы, распадающиеся вследствие электромагнитного и слабого взаимод., их времена жизни более 10^-20 с. Резонансы распадаются за счет сильного взаимод., их характерные времена жизни 10^-22-10^-24 с.

Внутренними характеристиками (квантовыми числами) Э. ч. являются лептонный (символ L) и барионный (символ В)заряды; эти числа считаются строго сохраняющимися величинами для всех типов фундам. взаимод. Для лептонных нейтрино и их античастиц L имеют противоположные знаки; для барионов В= 1, для соответствующих античастиц В =-1.

Для адронов характерно наличие особых квантовых чисел: "странности", "очарования", "красоты". Обычные (нестранные) адроны - протон, нейтрон, -мезоны. Внутри разных групп адронов имеются семейства частиц, близких по массе и со сходными св-вами по отношению к сильному взаимод., но с разл. значениями электрич. заряда; простейший пример -протон и нейтрон. Общее квантовое число для таких Э. ч.-т. наз. изотопич. спин, принимающий, как и обычный спин, целые и полуцелые значения. К особым характеристикам адронов относится и внутренняя четность, принимающая значения 1.

Важное св-во Э. ч.- их способность к взаимопревращениям в результате электромагнитных или др. взаимодействий. Один из видов взаимопревращений - т. наз. рождение пары, или образование одновременно частицы и античастицы (в общем случае - образование пары Э. ч. с противоположными лептонными или барионными зарядами). Возможны процессы рождения электрон-позитронных пар е ^- е ⁺, мюонных пар новых тяжелых частиц при столкновениях лептонов, образование из кварков cc- и bb -состояний (см. ниже). Другой вид взаимопревращений Э. ч.- аннигиляция пары при столкновениях частиц с образованием конечного числа фотонов (квантов). Обычно образуются 2 фотона при нулевом суммарном спине сталкивающихся частиц и 3 фотона - при суммарном спине, равном 1 (проявление закона сохранения зарядовой четности).

При определенных условиях, в частности при невысокой скорости сталкивающихся частиц, возможно образование связанной системы - позитрония е ^- е ⁺ и мюония Эти нестабильные системы, часто наз. водородоподобными атомами, их время жизни в в-ве в большой степени зависит от св-в в-ва, что позволяет использовать водородоподобные атомы для изучения структуры конденсир. в-ва и кинетики быстрых хим. р-ций (см. Мезонная химия, Ядерная химия).
Кварковая модель адронов. Детальное рассмотрение квантовых чисел адронов с целью их классификации позволило сделать вывод о том, что странные адроны и обычные адроны в совокупности образуют объединения частиц с близкими св-вами, названные унитарными мультиплетами. Числа входящих в них частиц равны 8 (октет) и 10 (декуплет). Частицы, входящие в состав унитарного мультиплета, имеют одинаковые спин и внутр. четность, но различаются значениями электрич. заряда (частицы изотопич. мультиплета) и странности. С унитарными группами связаны св-ва симметрии, их обнаружение явилось основой для вывода о существовании особых структурных единиц, из к-рых построены адроны,-кварков. Считают, что адроны представляют собой комбинации 3 фундам. частиц со спином ¹/₂: и-кварков, d-кварков и s-кварков. Так, мезоны составлены из кварка и антикварка, барионы - из 3 кварков.

Допущение, что адроны составлены из 3 кварков, было сделано в 1964 (Дж. Цвейг и независимо от него М. Гелл-Ман). В дальнейшем в модель строения адронов (в частности, для того чтобы не возникало противоречия с принципом Паули) были включены еще 2 кварка - "очарованный" (с) и "красивый" (b), а также введены особые характеристики кварков - "аромат" и "цвет". Кварки, выступающие как составные части адронов, в свободном состоянии не наблюдались. Все многообразие адронов обусловлено разл. сочетаниями и-, d-, s-, с- и b-кварков, образующих связные состояния. Обычным адронам (протону, нейтрону, -мезонам) соответствуют связные состояния, построенные из и- и d-кварков. Наличие в адроне наряду с и- и d-кварками одного s-, с- или b-кварка означает, что соответствующий адрон - "странный", "очарованный" или "красивый".

Кварковая модель строения адронов подтвердилась в результате экспериментов, проведенных в кон. 60-х - нач.

70-х гг. 20 в. Кварки фактически стали рассматриваться как новые Э. ч.- истинно Э. ч. для адронной формы материи. Ненаблюдаемость свободных кварков, по-видимому, носит принципиальный характер и дает основания предполагать, что они являются теми Э. ч., к-рые замыкают цепь структурных составляющих в-ва. Существуют теоретич. и эксперим. доводы в пользу того, что силы, действующие между кварками, не ослабевают с расстоянием, т. е. для отделения кварков друг от друга требуется бесконечно большая энергия или, иначе говоря, возникновение кварков в свободном состоянии невозможно. Это делает их совершенно новым типом структурных единиц в-ва. Возможно, что кварки выступают как последняя ступень дробления материи.
Краткие исторические сведения. Первой открытой Э. ч. был электрон - носитель отрицат. электрич. заряда в атомах (Дж. Дж. Томсон, 1897). В 1919 Э. Резерфорд обнаружил среди частиц, выбитых из атомных ядер, протоны. Нейтроны открыты в 1932 Дж. Чедвиком. В 1905 А. Эйнштейн постулировал, что электромагнитное излучение является потоком отд. квантов (фотонов) и на этой основе объяснил закономерности фотоэффекта. Существование нейтрино как особой Э. ч. впервые предложил В. Паули (1930); экспериментально электронное нейтрино открыто в 1953 (Ф. Райнес, К. Коуэн).

При исследовании космич. лучей были обнаружены: позитрон (К. Андерсон, 1932), мюоны обоих знаков электрич. заряда (К. Андерсон и С. Неддермейер, 1936), и К-мезоны (группа С. Пауэлла, 1947; существование подобных частиц было предположено X. Юкавой в 1935). В кон. 40-х - нач. 50-х гг. были обнаружены "странные" частицы. Первые частицы этой группы - К ⁺-> и К ^- -мезоны, Л-гипероны - были зафиксированы также в космич. лучах.

С нач. 50-х гг. ускорители превратились в осн. инструмент исследования Э. ч. Были открыты антипротон (1955), антинейтрон (1956), анти- -гиперон (1960), а в 1964 - самый тяжелый W-гиперон. В 1960-х гг. на ускорителях обнаружили большое число крайне неустойчивых резонансов. В 1962 выяснилось, что существуют два разных нейтрино: электронное и мюонное. В 1974 обнаружены массивные (в 3-4 протонные массы) и в то же время относительно устойчивые (по сравнению с обычными резонансами) частицы, к-рые оказались тесно связанными с новым семейством Э. ч.- "очарованных", их первые представители открыты в 1976. В 1975 обнаружен тяжелый аналог электрона и мюона - -лептон, в 1977 - частицы с массой порядка десяти протонных масс, в 1981 - "красивые" частицы. В 1983 открыты самые тяжелые из известных Э. ч.- бозоны (масса 80 ГэВ) и Z

Энциклопедический словарь

элемента́рные части́цы

мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц — способность к взаимным превращениям; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные «кирпичики мироздания», подобные атомам Демокрита. Число частиц, которые называются в современной теории элементарными, очень велико. Каждая элементарная частица (за исключением истинно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. 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 за время от ≈10³ с для свободного нейтрона до 10^-22—10^-24 с для резонансов. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.Классификация элементарных частиц производится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физических величин. Отдельную «группу» составляет фотон. Частицы со спином ¹/₂, не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие сохраняющейся внутренней характеристикой — лептонным зарядом, образуют группу лептонов. Элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное, называются адронами. Характерным для адронов сильным взаимодействиям свойственно максимальное число сохраняющихся величин (законов сохранения), в том числе специфических для них — барионного заряда, странности, изотопического спина, «очарования». Адроны делятся на барионы и мезоны. По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны — из кварка и антикварка. При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц), не запрещаемые законами сохранения. Последовательная теория элементарных частиц, которая предсказывала бы возможные значения масс элементарных частиц и другие их внутренние характеристики, ещё не создана.

* * *
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

ЭЛЕМЕНТА́РНЫЕ ЧАСТИ́ЦЫ, мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц — способность к взаимным превращениям; это не позволяет рассматривать элементарные частицы как простейшие, неизменные «кирпичики мироздания», подобные атомам Демокрита. Число частиц, называемых в современной теории элементарными частицами, очень велико. Каждая элементарная частица (за исключением абсолютно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто (на 1978) более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы; остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются за время от 10³ с для свободного нейтрона до 10^-22 — 10^-24 с для резонансов. Однако нельзя считать, что нестабильные элементарные частицы «состоят» из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться несколькими способами на различные элементарные частицы.

Классификация элементарных частиц производится по типам фундаментальных взаимодействий, в которых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физических величин. Отдельную «группу» составляет фотон. Частицы со спином ¹/₂, не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие сохраняющейся внутренней характеристикой — лептонным зарядом, образуют группу лептонов. Элементарные частицы, участвующие во всех фундаментальных взаимодействиях, включая сильное, называются адронами. Характерным для адронов сильным взаимодействиям свойственно максимальное число сохраняющихся величин (законов сохранения), в т. ч. специфического для них — барионного заряда, странности, изотопического спина, «очарования». Адроны делятся на барионы и мезоны. По современным представлениям, адроны имеют сложную внутреннюю структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны — из кварка и антикварка. При столкновениях элементарных частиц происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих дополнительных частиц), не запрещаемые законами сохранения. Последовательная теория элементарных частиц, которая предсказывала бы возможные значения масс элементарных частиц и другие их внутренние характеристики, еще не создана.

Начала современного естествознания

фундаментальные частицы (микрообъекты), структурные единицы физического мира Вселенной. Классификация частиц осуществляется по типам взаимодействий, в которых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физических величин их характеризующих. Включает в себя фотон, лептоны, адроны (барионы и мезоны), кварки и глюо-ны. Последние образуют лептоны и адроны, являясь на сегодняшний день (2002 год) самыми «элементарными». Единой теории всех элементарных частиц пока не существует, хотя за ней зарезервировано название «Великое объединение».

Большой энциклопедический политехнический словарь

общее назв. для субъядерных частиц, т. е. мельчайших частиц материи, не являющихся молекулами, атомами, ионами или атомными ядрами (исключение составляет проток, к-рый принадлежит к Э. ч.). К Э. ч. относят: адроны (барионы и мезоны), лептоны, кварки, а также фотон и др. переносчики взаимодействий Э. ч. (глюоны, промежуточные бозоны и гравитон). За немногими исключениями каждой Э. ч. соответствует античастица, отличающаяся от частицы знаком электрич. заряда, магнитного момента и нек-рыми др. хар-ками. Отличит, особенность пары частица - античастица состоит в их способности к аннигиляции при столкновении друг с другом. Частицы, тождественные своим античастицам, наз. истинно нейтральными частицами.

Большая политехническая энциклопедия

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ — собирательный термин, относящийся к частицам микромира, требующий ограниченного и осторожного применения. В настоящее время установлено, что многие частицы, считавшиеся элементарными, таковыми не являются, поскольку имеют внутреннее строение. Раньше все частицы микромира рассматривались как первичные, т.е. не имеющие внутренней структуры и далее неразложимые. В XIX в. такими элементарными частицами считали атомы (см.). С открытием электрона (см.) в 1897 г., протона (см.) в 1919 г. и нейтрона (см.) в 1932 г. стало ясно, что атом имеет сложную структуру и не является элементарной частицей. (См. строение атома.) В период с 1973 по 1995 г. было экспериментально открыто шесть кварков (см.), из которых состоят частицы, имеющие внутреннее строение и называемые адронами (см.); к ним относятся мезоны (см.) и барионы (см.). Считается, что внутреннего строения не имеют кварки (см.), лептоны (см.) и бозоны (см.) — их всех объединяет название фундаментальные частицы» (см.). Каждой микрочастице (за исключением «истинно нейтральных» фотона и некоторых мезонов) соответствует своя античастица (см.). Взаимодействие пары частица — античастица приводит к аннигиляции (см.). В настоящее время известно более 400 микрочастиц, большинство из которых нестабильно (живут доли секунды) и распадается за счёт одного из взаимодействий: сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия (см.). В 2003 г. была обнаружена составная частица пентакварк, состоящий из кварков и u d d s, он распадается за 10^-20 с на мезон и нейтрон, что не противоречит Стандартной модели (см. теория-6). Изучением частиц микромира занимаются квантовая теория поля, квантовая электродинамика, физика высоких энергий, квантовая хромодинамика и космомикрофизика (см. <<теория-6).

Естествознание. Энциклопедический словарь

мельчайшие частицы физ. материи. Представления об Э. ч. отражают ту степень в познании строения материи, к-рая достигнута совр. наукой. Характерная особенность Э. ч.- способность к взаимным превращениям; это не позволяет рассматривать Э. ч. как простейшие, неизменные "кирпичики мироздания", подобные атомам Демокрита. Число частиц, к-рые называются в совр. теории элементарными, очень велико. Каждая Э. ч. (за исключением истинно нейтральных частиц) имеет свою античастицу. Всего вместе с античастицами открыто более 350 Э. ч. Из них стабильны фотон, электронное и мюоиное нейтрино, электрон, протон и их античастицы; остальные Э.ч. самопроизвольно распадаются за время от а 10³ с для свободного нейтрона до 10^-22-10^-24с для резонаисов. Однако нельзя считать, что нестабильные Э. ч. "состоят" из стабильных хотя бы потому, что одна и та же частица может распадаться неск. способами на разл. Э. ч. Классификация Э. ч. производится по типам фундам. взаимодействий, в к-рых они участвуют, и на основе законов сохранения ряда физ. величин. Фотон, W- и Z-бозоны образуют группу т. н. калибровочных бозонов, осуществляющих перенос электрослабого взаимодействия. Частицы со спином 1/2. не участвующие в сильном взаимодействии и обладающие сохраняющейся внутр. характеристикой - лептонным зарядом, образуют группу лептонов. Э. ч., участвующие во всех фундам. взаимодействиях, включая сильное, наз. адронами. Характерным для адронов сильным взаимодействиям свойственно макс. число сохраняющихся величин (законы сохранения), в т.ч. специфических для них - барионного заряда, странности, изотопического спина, очарования. Адроны делятся на барионы и мезоны. По совр. представлениям, адроны имеют сложную внутр. структуру: барионы состоят из 3 кварков, мезоны - из кварка и антикварка. При столкновениях Э. ч. происходят всевозможные превращения их друг в друга (включая рождение многих доп. частиц), не запрещаемые законами сохранения. Последоват. теория Э.ч., к-рая предсказывала бы возможные значения масс Э. ч. и др. их внутр. характеристики, ещё не создана.

Термины атомной энергетики

Elementary particles

мельчайшие частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту ступень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Вместе с античастицами открыто около 300 элементарных частиц. Термин "элементарные частицы" условен, поскольку многие элементарные частицы имеют сложную внутреннюю структуру.