Классификация элементарных частиц строится на основе их фундаментальных свойств, таких как спин, масса, электрический заряд, лептонное и барионное число, тип взаимодействия, а также внутренняя симметрия. Центральную роль играет представление о частицах как возбуждениях полей, описываемых квантовыми теориями поля, в первую очередь — Стандартной моделью.
Разделение элементарных частиц происходит прежде всего на фермионы (частицы с полуцелым спином) и бозоны (частицы с целым спином), что обусловлено статистикой Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна соответственно.
Фермионы составляют материю. Они подчиняются принципу запрета Паули, не могут находиться в одном квантовом состоянии и играют ключевую роль в формировании структуры вещества.
Кварки — фундаментальные фермионы, участвующие в сильном взаимодействии. Они обладают дробным электрическим зарядом и цветовым квантовым числом, являющимся источником сильного взаимодействия в квантовой хромодинамике (QCD).
Существует шесть типов (вкусов) кварков:
Каждый кварк существует в трех цветовых состояниях (красный, зелёный, синий). Кварки не наблюдаются в свободном состоянии из-за явления конфайнмента.
Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Существует шесть лептонов:
Каждому лептону соответствует античастица (позитрон, антинейтрино и т. д.). Лептоны участвуют в слабом и электромагнитном взаимодействиях (если они заряжены), а нейтрино — исключительно в слабом.
Бозоны — переносчики взаимодействий. Они могут занимать одно и то же квантовое состояние и, в отличие от фермионов, не подчиняются принципу запрета Паули.
Скалярная частица со спином 0, квант возбуждения хиггсовского поля. Его взаимодействие с другими полями обуславливает механизм генерации масс фермионов и калибровочных бозонов. Бозон Хиггса был экспериментально обнаружен в 2012 году на БАК.
Элементарные фермионы упорядочены по поколениям (или семействам), каждое из которых содержит одну пару кварков и одну пару лептонов:
| Поколение | Кварки | Лептоны |
|---|---|---|
| I | u, d | e, νₑ |
| II | c, s | μ, ν_μ |
| III | t, b | τ, ν_τ |
Переход между поколениями осуществляется с помощью слабого взаимодействия. Более тяжелые поколения нестабильны и распадаются на частицы первого поколения.
Каждой частице соответствует античастица с противоположным электрическим зарядом (и другими аддитивными квантовыми числами, такими как барионное или лептонное). Например, античастицей электрона является позитрон. Кварки и лептоны обладают чётко определенными античастицами, в то время как бозоны могут быть своими собственными античастицами (например, фотон).
Кварки не существуют изолированно, они объединяются в составные частицы — гадроны, согласно принципу цветовой нейтральности.
Состоят из трёх кварков (qqq). Пример: протон (uud), нейтрон (udd). Их античастицы состоят из трёх антикварков. Барионы подчиняются ферми-статистике.
Состоят из кварк-антикварковых пар (q q̄). Пример: π⁺ (u d̄), K⁰ (d s̄). Мезоны подчиняются бозонной статистике и участвуют в переносе сильного взаимодействия между барионами.
Классификация частиц невозможна без использования квантовых чисел, отражающих сохраняющиеся величины в теориях с соответствующими симметриями.
Основные квантовые числа:
Квантовые числа служат инвариантами в определённых взаимодействиях и позволяют предсказать возможные процессы распада и превращения частиц.
Современная классификация основана на структуре Стандартной модели — квантовой теории, описывающей электрослабое и сильное взаимодействия с помощью группы симметрии:
SU(3)_C × SU(2)_L × U(1)_Y
Здесь:
Все фермионы и бозоны укладываются в представления этих групп. Кварки и лептоны принадлежат к различным представлениям SU(2), обладают гиперзарядом, и взаимодействуют с соответствующими калибровочными полями.
Существуют гипотезы, выходящие за рамки Стандартной модели. Среди них:
Экспериментальная физика высоких энергий (в частности, ускорительные эксперименты на LHC, Fermilab, SLAC и др.) является источником эмпирических подтверждений и дополнений к классификации частиц. Методы детектирования, такие как трековые камеры, калориметры, спектрометры и время-пролётные установки, позволяют фиксировать следы частиц, идентифицировать их по массе, заряду и энергии, тем самым способствуя уточнению их свойств и статуса.
| Тип | Название | Символ | Спин | Масса (прибл.) | Заряд |
|---|---|---|---|---|---|
| Кварк | up | u | 1/2 | 2.2 MeV | +2/3 |
| down | d | 1/2 | 4.7 MeV | −1/3 | |
| charm | c | 1/2 | 1.28 GeV | +2/3 | |
| strange | s | 1/2 | 96 MeV | −1/3 | |
| top | t | 1/2 | 172.7 GeV | +2/3 | |
| bottom | b | 1/2 | 4.18 GeV | −1/3 | |
| Лептон | электрон | e | 1/2 | 0.511 MeV | −1 |
| мюон | μ | 1/2 | 105.7 MeV | −1 | |
| тау | τ | 1/2 | 1.78 GeV | −1 | |
| νₑ, ν_μ, ν_τ | 1/2 | <1 eV | 0 | ||
| Бозон | фотон | γ | 1 | 0 | 0 |
| W⁺, W⁻, Z⁰ | 1 | 80-91 GeV | ±1, 0 | ||
| глюоны | g | 1 | 0 | 0 | |
| бозон Хиггса | H | 0 | 125.1 GeV | 0 |
Классификация элементарных частиц — фундаментальная часть современной физики, лежащая в основе описания всех наблюдаемых процессов микромира. Развитие теоретических подходов и усовершенствование экспериментальных методов продолжают дополнять и расширять эту классификацию.