§ 44. Элементарные частицы и их взаимодействия

Долгое время протон, нейтрон и электрон считались незыблемыми «кирпичиками» материи. Однако по мере открытия новых частиц перед физиками встала проблема их классификации: сколько всего «кирпичиков» материи, какие из них являются простейшими, а какие имеют сложную структуру, т.е. образованы из других частиц. Как частицы взаимодействуют между собой? Как они распадаются?

Вплоть до конца XIX в. атомы считались незыблемыми «кирпичиками» материи. Но в конце XIX — начале XX в. учеными было установлено сложное строение атомов и раскрыта структура ядер. Открыты  новые частицы  — электроны, фотоны, протоны и нейтроны, которые определяют свойства атомов и ядер и их взаимодействие. Именно они уже, а не атомы, являлись простейшими неделимыми частицами, их нужно было считать «кирпичиками мироздания».

В 1932 г. была открыта новая частица и первая античастица — позитрон. Хотя еще в 1928 г. английский физик П. Дирак, исходя из разработанной им релятивистской теории движения электрона, предсказал, что должен существовать «двойник» электрона, имеющий положительный заряд.  Позитрон явился первой обнаруженной античастицей. В 1955 г. был открыт — антипротон, а 1956 г. -  антинейтрон. В том же году была открыта еще одна новая частица —  нейтрино.

Существование позитрона (по латыни positus — положительный) предсказанного Полем Дираком, в 1932 г. доказал американский физик К. Андерсон, исследуя космические лучи.

При столкновении медленно движущихся электрона и позитрона они аннигилируют (от лат. nihil — ничто) и возникают обычно два фотона (рис. 231, а): 

Образование при аннигиляции именно двух (редко трех) фотонов является следствием закона сохранения импульса и энергии.

Возможен и обратный процесс рождения электронно-позитронной пары в поле ядра за счет энергии фотона:

Схематическое изображение такого процесса показано на рис. 231, б. На рисунке 232 показано рождение пары электрон-позитрон в свинцовой пластинке, которая облучается γ-квантами.

Вскоре был сформулирован принцип зарядового сопряжения: каждая заряженная частица имеет античастицу. Этот принцип распространяется на нейтральные частицы — нейтрон и нейтрино. Все характеристики частиц и античастиц одинаковы, но заряды (магнитные моменты) противоположны по знаку. Исключение — фотон, π⁰-мезон, η⁰- мезон — частицы — истинно нейтральные частицы, т.е. полностью совпадающие со своими античастицами.

Следовательно, фактически половину всех элементарных частиц составляют античастицы.

В том же 1932 г. году при исследовании -распада была открыта еще одна новая частица —  нейтрино.

Ученым при исследовании особенностей -распада, а также свойств нейтрино (антинейтрино) впервые пришлось иметь дело с еще одним видом фундаментального взаимодействия — слабым взаимодействием. Оно проявляется при взаимопревращениях элементарных частиц. Для характеристики слабых взаимодействий вводится квантовое число — лептонный заряд, обозначаемый латинской буквой L. Необходимость введения лептонного заряда обусловлена тем, что до сих пор не обнаружено ни одного явления, в котором не выполняется закон сохранения лептонного заряда: сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется. Лептонный заряд представляет собой безразмерное целое число. У всех лептонов (частиц и античастиц), , а у частиц, не являющихся лептонами (например, нуклонов), . Нейтрино, так же как и электрон, относят к классу лептонов.

Рассмотрим реакции  превращений. Из закона сохранения лептонного заряда для уравнения реакции распада нейтрона:

следует:

.

Откуда находим:

.

Таким образом, лептонный заряд нейтрино в данной реакции отрицателен. Следовательно, как вытекает из определения лептонов, в процессе β^- -распада ядра рождается не нейтрино, а антинейтрино   (см. рис. 216).

Отметим, что свободный протон, в отличие от нейтрона, стабилен. Однако в ядре становится возможным β⁺ превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино:

.

Это следует из закона сохранения лептонного заряда, т. к. ,

откуда .

Таким образом, при электронном распаде возникает антинейтрино  , при позитронном распаде  — нейтрино  . Это обусловлено фундаментальным законом сохранения лептонного заряда.

Прежде чем перейти к классификации частиц, необходимо дать определение того, что понимается в настоящее время под элементарной частицей.

Элементарными называют частицы, которые на современном уровне развития физики можно считать первичными неразложимыми далее частицами, и из них построена вся материя. Неделимость элементарных частиц не означает, что у них отсутствует внутренняя структура.

Элементарные частицы способны взаимодействовать друг с другом. Для всех элементарных частиц характерна способность возникать и поглощаться (рождаться и уничтожаться) при взаимодействии с другими частицами. Например, хотя нейтрон и не состоит из протона, электрона и антинейтрино, но он может превращаться в указанные частицы при взаимодействиях. 

Общими характеристиками всех элементарных частиц является масса, среднее время жизни, электрический заряд и спин.

Различие в массах частиц получило отражение в названиях типов частиц:  лептоны (от греч. λεπτοσ (лептос) -  легкий), мезоны — (от греч. μεσοσ (мезос) — средний), барионы (от греч. βαρυσ (барис) — тяжелый). Однако в дальнейшем оказалось, что такая классификация не отражает всех свойств элементарных частиц.

Электрические заряды элементарных частиц являются кратными величине элементарного электрического заряда.

Спин элементарных частиц является целым или полуцелым и кратным постоянной Планка .

В 50-х гг. ХХ в. было обнаружено, что в ядерных реакциях могут рождаться новые виды частиц, если бомбардирующая частица обладает достаточной энергией. Общее число элементарных частиц с античастицами около 500, и их количество увеличивается с каждым годом . Из них 30 относительно стабильные со средним временем жизни не менее  и более 400 — короткоживущие, со средним временем жизни . Время жизни зависит от природы взаимодействия.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные (резонансы).

Если распад обусловлен сильным взаимодействием, среднее время жизни частиц оказывается очень малым , и исторически они были названы (нестабильными) резонансами.

При распаде, обусловленном слабым взаимодействием, среднее время жизни частиц , при электромагнитном взаимодействии —. Такие частицы называются квазистабильными.

Стабильными в пределах точности современных измерений являются электрон, протон, фотон и нейтрино.

Изучением их свойств и взаимодействий занимаются в разделе физики, называемом физикой элементарных частиц.