Основные понятия и терминология

Классификация элементарных частиц

Современная физика элементарных частиц основывается на строгой классификации всех известных частиц в зависимости от их фундаментальных свойств. Ключевые характеристики, определяющие принадлежность частицы к определённому классу, включают:

  • Спин — квантовое число, характеризующее внутренний момент импульса;
  • Фермионность или бозонность — частицы с полуцелым спином (фермионы) подчиняются принципу Паули, с целым — (бозоны) нет;
  • Квантовые числа — заряд, лептонное число, барионное число, изоспин и гиперзаряд;
  • Стабильность и время жизни.

Наиболее общим образом частицы делятся на фундаментальные и составные.

Это частицы, не имеющие известной внутренней структуры. Они представлены в Стандартной модели тремя основными группами:

Кварки

Кварки являются фермионами со спином ½. Существует шесть ароматов (вкусов) кварков:

  • u (верхний), d (нижний),
  • c (очарованный), s (странный),
  • t (истинный), b (прелестный).

Кварки участвуют в сильном взаимодействии и обладают цветовым зарядом, описываемым квантовой хромодинамикой (КХД). Они не наблюдаются в свободном состоянии из-за явления конфайнмента.

Лептоны

Фермионы, не обладающие цветовым зарядом и не участвующие в сильном взаимодействии. Выделяют:

  • Заряженные лептоны: электрон (e), мюон (μ), тау-лептон (τ);
  • Нейтрино: νₑ, ν_μ, ν_τ — частицы с крайне малой массой и нулевым электрическим зарядом.

Каждому лептону соответствует антипод — античастица с противоположными квантовыми числами.

Калибровочные бозоны

Это переносчики фундаментальных взаимодействий:

  • Фотон (γ) — электромагнитное взаимодействие;
  • W⁺, W⁻, Z⁰-бозоны — слабое взаимодействие;
  • Глюоны (g) — восемь видов, передают сильное взаимодействие между кварками;
  • Гравитон (предполагаемый) — переносчик гравитации, пока не наблюден.

Также к бозонам относится Хиггсовский бозон, ответственный за механизм спонтанного нарушения симметрии и генерацию масс частиц.

Составные частицы

Эти частицы состоят из нескольких фундаментальных. Их основными представителями являются адроны, которые далее делятся на:

  • Барионы (три кварка): протон, нейтрон;
  • Мезоны (кварк и антикварк): π-мезоны, K-мезоны и др.

Свойства составных частиц выводятся из динамики взаимодействия их кварковых составляющих и квантовых чисел.

Фундаментальные взаимодействия

Существует четыре типа взаимодействий, каждое из которых обладает уникальными характеристиками и свойственным ему калибровочным бозоном.

Сильное взаимодействие

Описывается квантовой хромодинамикой (КХД). Действует между частицами, обладающими цветовым зарядом. Характеризуется:

  • очень высокой интенсивностью;
  • малым радиусом действия (~1 фм);
  • асимптотической свободой (слабое взаимодействие на малых расстояниях);
  • конфайнментом (невозможность изоляции одиночных кварков).

Электромагнитное взаимодействие

Регулируется квантовой электродинамикой (КЭД). Действует между электрически заряженными частицами. Притягивает разноимённые заряды и отталкивает одноимённые. Передатчик — фотон. Интенсивность описывается постоянной тонкой структуры:

$$ \alpha \approx \frac{1}{137}. $$

Слабое взаимодействие

Участвует в процессах распада (β-распад), аннигиляции и нейтринных взаимодействиях. Бозоны W⁺, W⁻ и Z⁰ обладают массой, что обуславливает короткий радиус действия (~10⁻³ фм). Слабое взаимодействие нарушает парность, зарядово-сопряжённую и CP-инвариантность, что делает его уникальным.

Гравитационное взаимодействие

Наиболее слабое, но универсальное. Математически описывается общей теорией относительности, а в контексте квантовой теории — ещё не полностью построено. Предполагаемый переносчик — гравитон.

Квантовые числа и сохранения

Каждая элементарная частица обладает набором квантовых чисел, сохраняющихся или изменяющихся в зависимости от типа взаимодействия. Важнейшие:

  • Электрический заряд (Q) — сохраняется во всех известных процессах;
  • Лептонное число — сохраняется в пределах каждого семейства;
  • Барионное число — сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях;
  • Изоспин и гиперзаряд — сохраняются при сильном взаимодействии;
  • Странность, очарование, прелесть и истинность — квантовые числа, вводимые для классификации кварков, могут нарушаться в слабых процессах;
  • Спин и чётность — также играют важную роль при анализе разрешённых процессов.

Симметрии и законы сохранения являются основой построения лагранжианов и прогнозирования разрешённых переходов между состояниями.

Античастицы

Каждой частице соответствует античастица с равной массой и спином, но с противоположными квантовыми числами. Например, электрону — позитрон (e⁺), протону — антипротон. Анигиляция частицы и античастицы ведёт к высвобождению энергии, обычно в виде фотонов.

Особое значение имеют майорановские частицы, которые совпадают со своими античастицами. Это возможно, например, для нейтрино, если оно обладает определённой природой.

Стандартная модель

Это квантовая теория, объединяющая три из четырёх фундаментальных взаимодействий (гравитация не включена). Основные компоненты:

  • Группа калибровочной симметрии:

SU(3)C × SU(2)L × U(1)Y

  • Калибровочные бозоны: глюоны, бозоны W и Z, фотон;
  • Три поколения фермионов;
  • Хиггсовский механизм, обеспечивающий массы W и Z-бозонов и фермионов.

Стандартная модель успешно описывает подавляющее большинство экспериментов в области высоких энергий. Тем не менее, она не охватывает гравитацию, тёмную материю, тёмную энергию, и не объясняет наблюдаемую иерархию масс частиц.

Нотации и единицы

В физике частиц используется система естественных единиц, где ℏ = c = 1. Это приводит к удобству:

  • Масса, энергия, импульс имеют одну и ту же размерность;
  • Единицей измерения становится электронвольт (эВ), с кратными: МэВ, ГэВ, ТэВ;
  • Пространственные и временные параметры выражаются в обратных энергетических единицах.

Пример: 1 ГэВ⁻¹ ≈ 0.197 фм.

Фейнмановские диаграммы

Для описания процессов взаимодействий используются диаграммы Фейнмана — графические представления амплитуд перехода в теории возмущений. Они отображают:

  • Входящие и исходящие частицы (линии с направлением);
  • Вершины взаимодействия (точки соединения линий);
  • Переносчики взаимодействий (волнистые, спиральные или прямые линии).

Фейнмановская техника является инструментом расчёта вероятностей различных процессов, включая столкновения на ускорителях и распады нестабильных частиц.

Массы и времена жизни

Разные элементарные частицы имеют разнообразные времена жизни:

  • Стабильные: электрон, протон (в рамках Стандартной модели);
  • Метастабильные: мюон, нейтрон вне ядра;
  • Краткоживущие резонансы: мезоны, барионы возбуждённых состояний.

Для короткоживущих частиц используется понятие ширины резонанса Γ, связанное с временем жизни τ соотношением:

$$ \Gamma \sim \frac{1}{\tau}. $$

Энергетические масштабы

Энергия процесса определяет, какие частицы могут быть порождены. Ключевые масштабы:

  • МэВ — ядерная физика, слабые распады;
  • ГэВ — физика адронов, слабые и сильные процессы;
  • ТэВ — масштаб электрослабого объединения, Хиггс;
  • 10¹⁶ ГэВ — масштаб великого объединения (GUT);
  • 10¹⁹ ГэВ — планковский масштаб, где гравитация становится сравнимой с другими взаимодействиями.

Физика элементарных частиц, следовательно, охватывает чрезвычайно широкий диапазон масштабов энергии и длины, связывая микромир с глубинными структурами Вселенной.

Оглавление