§ 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?

Каждый электрон характеризуется собственным механическим моментом движения, который называется спином (от англ. spin — вращать).

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.

Вопросы к параграфу

1. Какая античастица была открыта первой?
2. Все ли элементарные частицы имеют античастицу?
3. Чем отличается античастица от частицы?
4. Какая частица называется элементарной?
5. Какие частицы являются стабильными?
6. Какие частицы относятся к квазистабильным и нестабильным (резонансам)?
7. В чем заключается принцип зарядового сопряжения?
8. Сформулируйте закон сохранения лептонного заряда. Приведите пример его применения.