1 елементарні частки. Елементарні частинки. Будова та властивості елементарних частинок
Подальше проникнення глибини мікросвіту пов'язані з переходом від рівня атомів до рівня елементарних частинок. Як перша елементарна частка наприкінці XIX ст. було відкрито електрон, та був у перші десятиліття XX в. – фотон, протон, позитрон та нейтрон.
Після Другої світової війни, завдяки використанню сучасної експериментальної техніки, і насамперед потужним прискорювачам, у яких створюються умови високих енергій та величезних швидкостей, було встановлено існування великої кількості елементарних частинок – понад 300. Серед них є як експериментально виявлені, так і теоретично обчислені, включаючи резонанси, кварки та віртуальні частки.
Термін елементарна часткаспочатку означав найпростіші, далі ні на що не розкладаються частинки, що лежать в основі будь-яких матеріальних утворень. Пізніше фізики усвідомили всю умовність терміна "елементарний" стосовно мікрооб'єктів. Зараз уже не підлягає сумніву, що частинки мають ту чи іншу структуру, але, проте, назва, що історично склалася, продовжує існувати.
Основними характеристиками елементарних частинок є маса, заряд, середнє життя, спин і квантові числа.
Масу спокою елементарних частинок визначають по відношенню до маси спокою електрона. Існують елементарні частинки, що не мають маси спокою, – фотони. Інші частинки за цією ознакою поділяються на лептони– легкі частинки (електрон та нейтрино); мезони- Середні частки з масою в межах від однієї до тисячі мас електрона; баріони– важкі частки, чия маса перевищує тисячу мас електрона та до складу яких входять протони, нейтрони, гіперони та багато резонансів.
Електричний заряд є іншою найважливішою характеристикою елементарних частинок. Всі відомі частинки мають позитивний, негативний або нульовий заряд. Кожній частинці, крім фотону та двох мезонів, відповідають античастинки з протилежним зарядом. Приблизно у 1963–1964 роках. була висловлена гіпотеза про існування кварків- Часток з дробовим електричним зарядом. Експериментального підтвердження ця гіпотеза поки що не знайшла.
За часом життя частинки поділяються на стабільні і нестабільні . Стабільних частинок п'ять: фотон, два різновиди нейтрино, електрон та протон. Саме стабільні частинки грають найважливішу роль структурі макротіл. Всі інші частки нестабільні, вони існують близько 10-10-10-24 с, після чого розпадаються. Елементарні частинки із середнім часом життя 10 –23 –10 –22 с називають резонансами. Внаслідок короткого часу життя вони розпадаються ще до того, як встигнуть залишити атом чи атомне ядро. Резонансні стани обчислені теоретично, зафіксувати їх у реальних експериментах не вдається.
Крім заряду, маси та часу життя, елементарні частинки описуються також поняттями, які не мають аналогів у класичній фізиці: поняттям спина . Спиномназивається власний момент імпульсу частинки, не пов'язаний з її переміщенням. Спин характеризується спиновим квантовим числом s, яке може набувати цілі (±1) або напівцілі (±1/2) значення. Частинки з цілим спином – бозони, з напівцілим - ферміони. Електрон відноситься до ферміонів. Відповідно до принципу Паулі в атомі не може бути більше одного електрона з одним і тим же набором квантових чисел n,m,l,s. p align="justify"> Електрони, яким відповідає хвильові функції з однаковим числомn, дуже близькі за енергіями і утворюють в атомі електронну оболонку. Відмінності в числеl визначають "подоболочку", інші квантові числа визначають її заповнення, про що було сказано вище.
У характеристиці елементарних частинок є ще одне важливе уявлення взаємодії. Як зазначалося раніше, відомо чотири види взаємодій між елементарними частинками: гравітаційне,слабке,електромагнітнеі сильне(ядерне).
Усі частки, що мають масу спокою ( m 0), беруть участь у гравітаційному взаємодії, заряджені – й у електромагнітному. Лептони беруть участь ще й у слабкій взаємодії. Адрони беруть участь у всіх чотирьох фундаментальних взаємодіях.
Згідно з квантовою теорією поля, всі взаємодії здійснюються завдяки обміну віртуальними частинками тобто частинками, про існування яких можна судити лише опосередковано, за деякими їх проявами через якісь вторинні ефекти ( реальні частки можна безпосередньо зафіксувати за допомогою приладів).
Виявляється, що всі відомі чотири типи взаємодій - гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка - мають калібрувальну природу і описуються калібрувальними симетріями. Тобто всі взаємодії зроблені "з однієї болванки". Це вселяє надію, що можна буде знайти "єдиний ключ до всіх відомих замків" і описати еволюцію Всесвіту зі стану, представленого єдиним суперсиметричним суперполем, зі стану, в якому відмінності між типами взаємодій між різними частинками речовини і квантами полів ще не виявлені.
Існує безліч методів класифікації елементарних частинок. Так, наприклад, частинки поділяють на ферміони (Фермі-частинки) – частинки речовини та бозони (Бозе-частинки) – кванти полів.
Згідно з іншим підходом, частинки поділяють на 4 класи: фотони, лептони, мезони, баріони.
Фотони (Кванти електромагнітного поля) беруть участь в електромагнітних взаємодіях, але не мають сильної, слабкої, гравітаційної взаємодії.
Лептони отримали свою назву від грецького слова leptos- Легкий. До них відносяться частинки, що не володіють сильною взаємодією мюони (μ - , μ +), електрони (е - , е +), електронні нейтрино (ve - , e +) і мюонні нейтрино (v - m, v + m). Усі лептони мають спин, рівний ½, і, отже, є ферміонами. Всі лептони мають слабку взаємодію. Ті з них, які мають електричний заряд (тобто мюони та електрони), мають також електромагнітну взаємодію.
Мезони - Нестабільні частинки, що сильно взаємодіють, не несуть так званого баріонного заряду. До них належить р-мезони, або півонії (π + , π - , π 0), До-мезони, або каони (К + , К - , К 0), ця-мезони (η) . Маса До-мезонів становить ~970mе (494 МеВ для заряджених та 498 МеВ для нейтральних До-мезонів). Час життя До-мезон має величину порядку 10 -8 с. Вони розпадаються з освітою я-мезонів та лептонів або тільки лептонів. Маса ця-мезонів дорівнює 549 МеВ (1074mе), час життя - близько 10 -19 с. Ця-мезони розпадаються з утворенням π-мезонів та γ-фотонів. На відміну від лептонів, мезони мають не тільки слабку (і, якщо вони заряджені, електромагнітну), але також і сильну взаємодію, що проявляється при взаємодії їх між собою, а також при взаємодії між мезонами і баріонами. Спин усіх мезонів дорівнює нулю, тому вони є бозонами.
Клас баріонів поєднує в собі нуклони (p, n) і нестабільні частинки з масою більше маси нуклонів, що отримали назву гіперонів. Всі баріони мають сильну взаємодію і, отже, активно взаємодіють з атомними ядрами. Спин всіх баріонів дорівнює ½, тому баріони є ферміонами. За винятком протону, усі баріони нестабільні. При розпаді баріонів поряд з іншими частинками обов'язково утворюється баріон. Ця закономірність є одним із проявів закону збереження баріонного заряду.
Крім перерахованих вище частинок виявлено велику кількість сильно взаємодіючих короткоживучих частинок, які отримали назву резонансів . Ці частинки є резонансними станами, утвореними двома або великим числом елементарних частинок. Час життя резонансів становить лише ~ 10 -23 -10 -22 с.
Елементарні частинки, а також складні мікрочастинки вдається спостерігати завдяки тим слідам, які вони залишають при проходженні через речовину. Характер слідів дозволяє судити про знак заряду частинки, її енергії, імпульс і т. п. Заряджені частинки викликають іонізацію молекул на своєму шляху. Нейтральні частинки слідів не залишають, але вони можуть виявити себе в момент розпаду на заряджені частинки або в момент зіткнення з ядром. Отже, зрештою нейтральні частинки також виявляються по іонізації, викликаної породженими ними зарядженими частинками.
Частинки та античастинки. У 1928 р. англійському фізику П. Дірак вдалося знайти релятивістське квантово-механічне рівняння для електрона, з якого випливає ряд чудових наслідків. Насамперед, із цього рівняння природним чином, без будь-яких додаткових припущень, виходять спин та числове значення власного магнітного моменту електрона. Таким чином, з'ясувалося, що спин є величиною одночасно і квантової, і релятивістської. Але цим не вичерпується значення рівняння Дірака. Воно дозволило також передбачити існування античастки електрона – позитрон. З рівняння Дірака виходять повної енергії вільного електрона як позитивні, а й негативні значення. Дослідження рівняння показують, що при заданому імпульсі частинки існують рішення рівняння, що відповідають енергіям: .
Між найбільшою негативною енергією (– mе з 2) та найменшою позитивною енергією (+ m e c 2) є інтервал значень енергії, які можуть реалізуватися. Ширина цього інтервалу дорівнює 2 mе з 2 . Отже, виходять дві області власних значень енергії: одна починається з + m e з 2 і простягається до +∞, інша починається з – mе з 2 і простягається до –∞.
Частка з негативною енергією повинна мати дуже дивні властивості. Переходячи в стани з дедалі меншою енергією (тобто з модулем, що збільшується, негативною енергією), вона могла б виділяти енергію, скажімо, у вигляді випромінювання, причому, оскільки | Е| нічим не обмежений, частка з негативною енергією могла б випромінювати нескінченно велику кількість енергії. Такого висновку можна дійти наступним шляхом: із співвідношення Е=mе з 2 випливає, що у частинки з негативною енергією маса буде негативною. Під дією гальмівної сили частка з негативною масою повинна не сповільнюватися, а прискорюватися, здійснюючи над джерелом сили, що гальмує, нескінченно велика кількість роботи. Зважаючи на ці труднощі слід, здавалося б, визнати, що стан з негативною енергією потрібно виключити з розгляду як приводить до абсурдних результатів. Це проте суперечило б деяким загальним принципам квантової механіки. Тому Дірак вибрав інший шлях. Він запропонував, що переходи електронів у стани з негативною енергією зазвичай не спостерігаються з тієї причини, що всі рівні з негативною енергією вже зайняті електронами. 
Згідно з Діраком, вакуум є такий стан, в якому всі рівні негативної енергії заселені електронами, а рівні з позитивною енергією вільні. Оскільки всі без винятку зайняті рівні, що лежать нижче забороненої смуги, електрони на цих рівнях ніяк себе не виявляють. Якщо одному з електронів, що знаходяться на негативних рівнях, повідомити енергію Е≥ 2mе з 2 то цей електрон перейде в стан з позитивною енергією і поводитиметься звичайним чином, як частка з позитивною масою і негативним зарядом. Ця перша з передбачених теоретично частинок була названа позитроном. При зустрічі позитрона з електроном вони анігілюють (зникають) – електрон переходить з позитивного рівня на негативний вакантний. Енергія, що відповідає різниці цих рівнів, виділяється у вигляді випромінювання. На рис. 4 стрілка 1 зображує процес народження пари електрон-позитрон, а стрілка 2 – їх анігіляцію Термін "анігіляція" не слід розуміти буквально. По суті, відбувається не зникнення, а перетворення одних частинок (електрона та позитрону) на інші (γ-фотони).
Існують частинки, які тотожні зі своїми античастинками (тобто не мають античасток). Такі частки називаються абсолютно нейтральними. До них належать фотон, π 0 -мезон і η-мезон. Частинки, тотожні зі своїми античастинками, не здатні до анігіляції. Це, однак, не означає, що вони взагалі не можуть перетворюватися на інші частки.
Якщо баріонам (тобто нуклонам та гіперонам) приписати баріонний заряд (або баріонне число) У= +1, антибаріон - баріонний заряд У= –1, а решті частинок – баріонний заряд У= 0, то для всіх процесів, що протікають за участю баріонів та антибаріонів, буде характерно збереження баріонів заряду, подібно до того як для процесів характерне збереження електричного заряду. Закон збереження баріонного заряду обумовлює стабільність м'якого з баріонів - протона. Перетворення всіх величин, що описують фізичну систему, при якому всі частинки замінюються на античастинки (наприклад, електрони протонами, а протони електронами і т. д.), називається зарядом сполучення.
Дивні частки.До-мезони та гіперони були виявлені у складі космічних променів на початку 50-х рр. XX ст. Починаючи з 1953 р. їх одержують на прискорювачах. Поведінка цих частинок виявилася настільки незвичайною, що вони були названі дивними. Незвичайність поведінки дивних частинок полягала в тому, що народжувалися вони явно за рахунок сильних взаємодій з характерним часом близько 10 -23 с, а життя їх виявилося близько 10 -8 -10 -10 с. Остання обставина вказувала на те, що розпад частинок здійснюється внаслідок слабких взаємодій. Було незрозуміло, чому дивні частки живуть так довго. Оскільки і в народженні, і в розпаді λ-гіперону беруть участь одні й ті ж частинки (π-мезони і протон), дивувалося, що швидкість (тобто ймовірність) обох процесів настільки різна. Подальші дослідження показали, що дивні частки народжуються парами. Це навело на думку, що сильні взаємодії не можуть відігравати ролі в розпаді частинок внаслідок того, що для їх прояву потрібна присутність двох дивних частинок. З тієї ж причини неможливим поодиноке народження дивних частинок.
Щоб пояснити заборону одиночного народження дивних частинок, М. Гелл-Манн і К. Нішиджима ввели до розгляду нове квантове число, сумарне значення якого має, на їхню думку, зберігатися при сильних взаємодіях. Це квантове число Sбуло названо дивністю частинки. При слабких взаємодіях дивина може зберігатися. Тому вона приписується лише сильно взаємодіючим частинкам – мезонам та баріонам.
Нейтріно.Нейтрино - єдина частка, яка не бере участі ні в сильних, ні в електромагнітних взаємодіях. Виключаючи гравітаційне взаємодія, у якому беруть участь усі частки, нейтрино може брати участь лише у слабких взаємодіях.
Довгий час залишалося незрозумілим, чим відрізняється нейтрино від антинейтрино. Відкриття закону збереження комбінованої парності дало змогу відповісти це питання: вони відрізняються спіральністю. Під спіральністюрозуміється певне співвідношення між напрямами імпульсу Рі спина Sчастки. Спіральність вважається позитивною, якщо спин та імпульс мають однаковий напрямок. У цьому випадку напрямок руху частинки ( Р) і напрямок "обертання", що відповідає спину, утворюють правий гвинт. При протилежно спрямованих спині та імпульсі спіральність буде негативною (поступальний рух та “обертання” утворюють лівий гвинт). Відповідно до розвиненої Янгом, Лі, Ландау і Саламом теорії поздовжнього нейтрино, всі існуючі в природі нейтрино, незалежно від способу їх виникнення, завжди бувають повністю поздовжньо поляризовані (тобто спин їх спрямований паралельно або антипаралельно імпульсу) Р). Нейтрино має негативну(ліву) спіральність (йому відповідає співвідношення напрямів Sі Р, зображене на рис. 5 (б), антинейтрино - позитивну (праву) спіральність (а). Отже, спіральність – те, що відрізняє нейтрино від антинейтрино.
Мал. 5.Схема спіральності елементарних частинок
Систематика елементарних частинок.Закономірності, які у світі елементарних частинок, може бути сформульовані як законів збереження. Таких законів накопичилося вже чимало. Деякі їх виявляються не точними, а лише наближеними. Кожен закон збереження висловлює певну симетрію системи. Закони збереження імпульсу Р, моменту імпульсу Lта енергії Евідображають властивості симетрії простору та часу: збереження Еє наслідок однорідності часу, збереження Робумовлено однорідністю простору, а збереження L- Його ізотропністю. Закон збереження парності пов'язаний із симетрією між правим і лівим ( Р-Інваріантність). Симетрія щодо зарядового сполучення (симетрія частинок та античастинок) призводить до збереження зарядової парності ( З-Інваріантність). Закони збереження електричного, баріонного та лептонного зарядів виражають особливу симетрію. З-функції. Нарешті, закон збереження ізотопічного спина відбиває ізотропність ізотопічного простору. Недотримання одного із законів збереження означає порушення в даній взаємодії відповідного виду симетрії.
У світі елементарних частинок діє правило: дозволено все, що не забороняють закони збереження. Останні відіграють роль правил заборони, що регулюють взаємоперетворення частинок. Насамперед відзначимо закони збереження енергії, імпульсу та електричного заряду. Ці три закони пояснюють стабільність електрона. Зі збереження енергії та імпульсу випливає, що сумарна маса спокою продуктів розпаду повинна бути меншою за масу спокою частки, що розпадається. Отже, електрон міг би розпадатися лише з нейтрино і фотони. Але ці частинки електрично нейтральні. Ось і виходить, що електрону просто нема кому передати свій електричний заряд, тому він стабільний.
Кварки.Часток, званих елементарними, стало так багато, що виникли серйозні сумніви щодо їх елементарності. Кожна із сильно взаємодіючих частинок характеризується трьома незалежними адитивними квантовими числами: зарядом Q, гіперзарядом Ута баріонним зарядом У. У зв'язку з цим виникла гіпотеза у тому, що це частки побудовано з трьох фундаментальних частинок – носіїв цих зарядів. У 1964 р. Гелл-Ман і незалежно від нього швейцарський фізик Цвейг висунули гіпотезу, згідно з якою всі елементарні частинки побудовані з трьох частинок, названих кварками. Цим частинкам приписуються дробові квантові числа, зокрема, електричний заряд, що дорівнює +⅔; -⅓; +⅓ відповідно для кожного із трьох кварків. Ці кварки зазвичай позначаються буквами U,D,S. Крім кварків, розглядаються антикварки ( u,d, S). На сьогоднішній день відомо 12 кварків – 6 кварків та 6 антикварків. Мезони утворюються із пари кварк-антикварк, а баріони – із трьох кварків. Так, наприклад, протон та нейтрон складаються з трьох кварків, що робить протон або нейтрон безбарвними. Відповідно розрізняють три заряди сильних взаємодій - червоний ( R), жовтий ( Y) та зелений ( G).
Кожному кварку приписується однаковий магнітний момент (мкВ), величина якого з теорії не визначається. Розрахунки, зроблені на підставі такого припущення, дають для протона значення магнітного моменту p = μ кв, а для нейтрону μ n = – ⅔μ кв.
Таким чином, для відношення магнітних моментів виходить значення μ p / μ n = –⅔, що чудово узгоджується з експериментальним значенням.
В основному колір кварку (подібно до знака електричного заряду) став виражати відмінність у властивості, що визначає взаємне тяжіння і відштовхування кварків. За аналогією з квантами полів різних взаємодій (фотонами в електромагнітних взаємодіях, р-мезонами у сильних взаємодіях тощо) були введені частинки-переносники взаємодії між кварками. Ці частки були названі глюонами. Вони переносять колір від одного кварку до іншого, внаслідок чого кварки утримуються разом. У фізиці кварків сформульовано гіпотезу конфайнменту (від англ. confinements- Полон) кварків, згідно з якою неможливо віднімання кварку з цілого. Він може існувати лише як елемент цілого. Існування кварків як реальних частинок у фізиці надійно обґрунтоване.
Ідея кварків виявилася дуже плідною. Вона дозволила як систематизувати вже відомі частки, а й передбачити низку нових. Положення, що склалося у фізиці елементарних частинок, нагадують становище, що утворилося у фізиці атома після відкриття в 1869 р. Д. І. Менделєвим періодичного закону. Хоча сутність цього закону була з'ясована лише приблизно через 60 років після створення квантової механіки, він дозволив систематизувати відомі на той час хімічні елементи і, крім того, призвів до передбачення існування нових елементів та їх властивостей. Так само фізики навчилися систематизувати елементарні частинки, причому розроблена систематика в ряді випадків дозволила передбачити існування нових частинок і передбачити їх властивості.
Отже, нині істинно елементарними вважатимуться кварки і лептони; їх 12, або разом з античатицями – 24. Крім того, існують частинки, що забезпечують чотири фундаментальні взаємодії (кванти взаємодії). Цих частинок 13: гравітон, фотон, W± - і Z-частки та 8 глюонів.
Існуючі теорії елементарних частинок не можуть вказати, що є початком ряду: атоми, ядра, адрони, кварки. У цьому ряду кожна складніша матеріальна структура включає більш просту як складову частину. Очевидно, так нескінченно продовжуватися не може. Припустили, що описаний ланцюжок матеріальних структур базується на об'єктах іншої природи. Показано, що такими об'єктами можуть бути не точкові, а протяжні, хоч і надзвичайно малі (~10-33 см) освіти, названі суперструни.Описана ідея у нашому чотиривимірному просторі не реалізована. Ця область фізики взагалі надзвичайно абстрактна, і дуже важко підібрати наочні моделі, що допомагають спрощеному сприйняттю ідей, закладених у теоріях елементарних частинок. Тим не менш, ці теорії дозволяють фізикам висловити взаємоперетворення та взаємозумовленість "найбільш елементарних" мікрооб'єктів, їх зв'язок з властивостями чотиривимірного простору-часу. Найбільш перспективною вважається так звана М-теорія (М – від mystery- Загадка, таємниця). Вона оперує дванадцятимірним простором . Зрештою, при переході до безпосередньо сприйманого нами чотиривимірного світу всі “зайві” виміри “згортаються”. М-теорія поки що єдина теорія, яка дає можливість звести чотири фундаментальні взаємодії до однієї – так званої Суперсила.Важливо також, що М-теорія припускає існування різних світів та встановлює умови, що забезпечують виникнення нашого світу. М-теорія ще недостатньо розроблена. Вважається, що остаточна «теорія всього» на основі М-теорії буде побудована вXXIв.
До фізики атомного ядра тісно прилягає фізика елементарних частинок. Ця область сучасної науки базується на квантових уявленнях і у своєму розвитку все далі проникає в глибину матерії, відкриваючи загадковий світ її першооснов. У фізиці елементарних часток надзвичайно велика роль теорії. З огляду на неможливості прямого спостереження таких матеріальних об'єктів їх образи асоціюються з математичними рівняннями, з накладеними ними забороняючими і вирішальними правилами.
За визначенням елементарні частинки — це первинні, нерозкладні утворення, у тому числі, за припущенням, складається вся матерія. Насправді цей термін вживається у ширшому сенсі — для позначення великої групи мікрочастинок матерії, структурно не об'єднаних у ядра і атоми. Більшість об'єктів дослідження фізики елементарних частинок не відповідають строгому визначенню елементарності, оскільки є складовими системами. Тому частки, що задовольняють цю вимогу, прийнято називати істинно елементарними.
Першою елементарною часткою, відкритою у процесі вивчення мікросвіту ще наприкінці ХІХ ст., був електрон. Наступним був відкритий протон (1919), потім настала черга нейтрона, відкритого в 1932 р. Існування позитрона теоретично було передбачено П. Діраком в 1931 р., і в 1932 р. цей позитивно заряджений «двійник» електрона був виявлений у космічних променях. . Припущення про існування в природі нейтрино було висунуто В. Паулі у 1930 р., а експериментально воно було виявлено лише у 1953 р. У складі космічних променів у 1936 р. було знайдено мю-мезони (мюони) — частки обох знаків електричного заряду з масою близько 200 мас електрона. В іншому властивості мюонів дуже близькі до властивостей електрона і позитрона. Також у космічних променях у 1947 р. було відкрито позитивний та негативний пі-мезони, існування яких було передбачено японським фізиком Хідекі Юкавой у 1935 р. Надалі з'ясувалося, що існує також нейтральний пі-мезон.
На початку 50-х років. було відкрито велику групу часток з дуже незвичайними властивостями, що спонукало назвати їх «дивними». Перші частинки цієї групи були виявлені в космічних променях, це К-мезони обох знаків і К-гіперон (лямбда-гіперон). Зазначимо, що мезони отримали свою назву від грец. «середній, проміжний» через те, що маси перших відкритих частинок цього типу (пі-мезони, мю-мезони) мають масу, проміжну між масою нуклону та електрона. Гіперони ж ведуть свою назву від грец. "понад, вище", оскільки їх маси перевищують масу нуклону. Наступні відкриття дивних частинок робилися на прискорювачах заряджених частинок, які стали основним інструментом вивчення елементарних частинок.
Так було відкрито антипротон, антинейтрон і низку гіперонів. У 60-ті роки. було виявлено значну кількість частинок із вкрай малим часом життя, які отримали назвурезонансів. Як з'ясувалося, до резонансів належать більшість відомих елементарних частинок. У середині 70-х років. було відкрито нове сімейство елементарних частинок, що одержали романтичну назву «зачарованих», а на початку 80-х — сімейства «красивих» частинок і так званих векторних проміжних бозонів. Відкриття цих частинок стало блискучим підтвердженням теорії, заснованої на кварковій моделі елементарних частинок, яка передбачила існування нових частинок задовго до виявлення.
Таким чином, за час після відкриття першої елементарної частинки - електрона - у природі виявлено безліч (близько 400) мікрочастинок матерії, і процес відкриття нових частинок продовжується. Виявилося, що світ елементарних частинок влаштований дуже і дуже складно, які властивості різноманітні і часто вкрай несподівані.
Усі елементарні частинки є матеріальними утвореннями надзвичайно малих мас та розмірів. Більшість їх мають маси порядку маси протона (~10 -24 р) і розміри порядку 10 -13 м. Це визначає суто квантову специфіку їхньої поведінки. Важливе квантове властивість всіх елементарних частинок (включаючи і що належить до них фотон) у тому, що це процеси із нею відбуваються як послідовності актів їх випромінювання і поглинання (здатність народжуватися і знищуватися при взаємодії коїться з іншими частинками). Процеси за участю елементарних частинок відносяться до всіх чотирьох видів фундаментальної взаємодії, сильної, електромагнітної, слабкої та гравітаційної. Сильною взаємодією зумовлений зв'язок нуклонів в атомному ядрі. Електромагнітна взаємодія забезпечує зв'язок електронів із ядрами в атомі, а також зв'язок атомів у молекулах. Слабка взаємодія викликає, зокрема, розпад квазістабільних (тобто щодо довгоживучих) частинок, що мають час життя в межах 10 -12 -г 10 -14 с. Гравітаційна взаємодія на характерних для елементарних частинок відстанях ~10 -13 см, через невелику кількість їх маси, має вкрай малу інтенсивність, проте може виявитися істотною на надмалих відстанях. Інтенсивності взаємодій, сильної, електромагнітної, слабкої та гравітаційної - при помірній енергії процесів відносяться відповідно як 1, 10 -2 , 10 -10 , 10 -38 . Взагалі зі зростанням енергії частинок це співвідношення змінюється.
Елементарні частинки класифікують за різними ознаками, і треба сказати, що загалом прийнята їхня класифікація досить складна.
Залежно від участі у різних видах взаємодії усі відомі частки ділять на дві основні групи: адрони та лептони.
Адрони беруть участь у всіх видах взаємодії, включаючи сильне. Вони отримали свою назву від грец. "великий, сильний".
Лептони не беруть участь у сильній взаємодії. Їхня назва походить від грецьк. "легкий, тонкий", оскільки маси відомих до середини 70-х років. частинок цього класу були помітно меншими за маси всіх інших частинок (крім фотона).
До адронів відносяться всі баріони (група частинок з масою не менше маси протона, названих так від грец. «важкий») та мезони. Найлегшим баріоном є протон.
Лептонами є, зокрема, електрон і позитрон, мюони обох знаків, нейтрино трьох видів (легкі, електрично нейтральні частки, що беруть участь лише у слабкому і гравітаційному взаємодії). Передбачається, що нейтрино настільки ж поширені в природі, як і фотони, до їхньої освіти призводить безліч різних процесів. Відмінною особливістю нейтрино є його величезна здатність, що проникає, особливо при низьких енергіях. Завершуючи класифікацію за видами взаємодії, слід зазначити, що фотон бере участь лише в електромагнітному та гравітаційному взаємодіях. Крім того, відповідно до теоретичних моделей, спрямованих на об'єднання всіх чотирьох видів взаємодії, існує гіпотетична частка, що переносить гравітаційне поле, яка отримала назву гравітон. Особливість гравітону полягає в тому, що він (згідно з теорією) бере участь тільки в гравітаційній взаємодії. Зауважимо, що теорія пов'язує з квантовими процесами гравітаційної взаємодії ще дві гіпотетичні частки — гравітіно та гравіфотон. Експериментальне виявлення гравітонів, тобто по суті гравітаційного випромінювання, вкрай утруднене через його надзвичайно слабку взаємодію з речовиною.
Залежно від часу життя елементарні частинки поділяють на стабільні, квазістабільні та нестабільні (резонанси).
Стабільними частинками є електрон (його час життя t > 10 21 років), протон (t > 10 31 років), нейтрино та фотон. Квазистабільними вважаються частинки, що розпадаються за рахунок електромагнітної та слабкої взаємодій, їх час життя t > 10 -20 c. Резонанси - частки, що розпадаються в результаті сильної взаємодії, їхній час життя знаходиться в інтервалі 10 -22 ^ 10 -24 с.
Найпоширенішим є ще один вид підрозділу елементарних частинок. Системи частинок з нульовим та цілим спином підпорядковуються статистиці Бозе-Ейнштейна, тому такі частки прийнято називати бозонами. Сукупність частинок з напівцілим спином описується статистикою Фермі-Дірака, звідси і назва таких частинок - ферміони.
Кожна елементарна частка характеризується певним набором дискретних фізичних величин - квантових чисел. Загальними для всіх частинок характеристиками є маса m, час життя t, спин J і електричний заряд Q. Спин елементарних частинок набуває значення, що дорівнює цілим або напівцілим кратним постійної Планка. Електричні заряди частинок є цілими кратними величиною заряду електрона, що вважається елементарним електричним зарядом.
Крім того, елементарні частинки додатково характеризуються так званими внутрішніми квантовими числами. Лептонам приписується специфічний лептонний заряд L = ±1, адрони з напівцілим спином несуть баріонний заряд =±1 (адрони з В = 0 утворюють підгрупу мезонів).
Важливою квантовою характеристикою адронів є внутрішня парність Р, що приймає значення ±1 і відбиває властивість симетрії функції хвильової частинки щодо просторової інверсії (дзеркального відображення). Незважаючи на незбереження парності при слабкій взаємодії, частинки з хорошою точністю набувають значення внутрішньої парності, рівні або +1, або -1.
Адрони, крім того, поділяються на звичайні частинки (протон, нейтрон, пі-мезони), дивні частки (^-мезони, гіперони, деякі резонанси), «зачаровані» та «красиві» частинки. Їм відповідають спеціальні квантові числа: дивина S, чарівність С і краса b. Ці квантові числа введені відповідно до кваркової моделі для тлумачення специфічних процесів, характерних для цих частинок.
Серед адронів є групи (родини) частинок з близькими масами, однаковими внутрішніми квантовими числами, але які відрізняються електричним зарядом. Такі групи називаються ізотопічними мул'типлетами і характеризуються загальним квантовим числом - ізотопічним спином, що приймає, як і звичайний спин, цілі та напівцілі значення.
У чому полягає кваркова модель адронів, що вже неодноразово згадувалася?
Виявлення закономірності угруповання адронів в мультиплети послужило основою припущення існування особливих структурних утворень, у тому числі побудовані адрони, — кварков. Допускаючи існування таких частинок, вважатимуться, що це адрони є комбінаціями кварків. Ця смілива та евристично продуктивна гіпотеза була висунута у 1964 р. американським фізиком Маррі Гелл-Маном. Суть її полягала у припущенні про наявність трьох фундаментальних частинок з напівцілим спином, що є матеріалом для побудови адронів, u-, d- та s-кварків. Надалі на основі нових експериментальних даних кваркова модель будови адронів поповнилася ще двома кварками, «зачарованими» (с) та «красивими» (b). Вважається за можливе існування та інших типів кварків. Відмінна особливість кварків полягає в тому, що вони мають дробові значення електричного і баріонного зарядів, що не зустрічаються в жодній з відомих частинок. З кварковою моделлю узгоджуються всі експериментальні результати вивчення елементарних частинок.
Згідно з кварковою моделлю, баріони складаються з трьох кварків, мезони — з кварку та антикварка. Оскільки деякі баріони є комбінацією трьох кварків в тому самому стані, що заборонено принципом Паулі (див. вище), кожному типу («аромату») кварку було приписано додаткове внутрішнє квантове число «колір». Кварк кожного типу ("аромата" - u, d, s, c, b) може перебувати в трьох "колірних" станах. У зв'язку з використанням колірних понять теорія сильної взаємодії кварків одержала назву квантової хромодинаміки (від грецьк. «колір»).
Можна вважати, що кварки є новими елементарними частинками, причому вони претендують роль істинно елементарних частинок для адронної форми матерії. Однак залишається невирішеною проблема спостереження вільних кварків та глюонів. Незважаючи на систематичні пошуки в космічних променях, на прискорювачах високої енергії, виявити їх у вільному стані поки що так і не вдалося. Є вагомі підстави вважати, що тут фізика зіткнулася з особливим явищем природи — так званим утриманням кварків.
Справа в тому, що існують серйозні теоретичні та експериментальні докази на користь припущення про те, що сили взаємодії кварків з відстанню не слабшають. Це означає, що для поділу кварків потрібна нескінченно велика енергія, отже поява кварків у вільному стані неможлива. Ця обставина надає кваркам статус особливих структурних одиниць речовини. Можливо, саме починаючи з кварків принципово неможливе дослідне спостереження ступенів дроблення матерії. Визнання кварків як реально існуючих об'єктів матеріального світу як уособлює собою яскравий випадок первинності ідеї стосовно існування матеріальної сутності. Постає питання перегляд таблиці фундаментальних світових постійних, бо заряд кварку втричі менше заряду протона, отже, і електрона.
Починаючи з відкриття позитрона, наука зустрілася з частинками антиречовини. Сьогодні очевидним є те, що для всіх елементарних частинок з ненульовими значеннями хоча б одного з квантових чисел, таких як електричний заряд Q, лептонний заряд L, баріонний заряд В, дивина S, чарівність С і краса b, існують античастинки з тими ж значеннями маси , часу життя, спина, але з протилежними знаками вищезгаданих квантових чисел. Відомі частки, тотожні своїм античастинкам, вони називаються істинно нейтральними. Прикладами істинно нейтральних частинок служать фотон і один з трьох пі-мезон (два інших є по відношенню один до одного частинкою і античастинкою).
Характерною особливістю взаємодії частинок і античастинок є їх анігіляція при зіткненні, тобто взаємознищення з утворенням інших частинок і виконанням законів збереження енергії, імпульсу, заряду тощо. Типовим прикладом анігіляції пари є процес перетворення електрона та його античастинки - позитрона електромагнітне випромінювання (у фотони чи гамма-кванти). Анігіляція пар відбувається як при електромагнітному взаємодії, а й за сильному взаємодії. При високих енергіях легкі частинки можуть анігілювати з утворенням більш важких частинок - за умови, що повна енергія частинок, що анігілюють, перевищує поріг народження важких частинок (рівний сумі їх енергій спокою).
При сильному і електромагнітному взаємодіях має місце повна симетрія між частинками та його античастинками, т. е. всі процеси, що відбуваються між першими, можливі й у других. Тому антипротони і антинейтрони можуть утворювати ядра атомів антиречовини, т. е. з античасток у принципі цілком може бути побудована антиречовина. Виникає очевидне питання: якщо кожна частка має античастинку, то чому ж у вивченій області Всесвіту відсутні скупчення антиречовини? Дійсно, про наявність їх у Всесвіті, навіть десь «поблизу» Всесвіту, можна було б судити з потужного анігіляційного випромінювання, що приходить до Землі в галузі зіткнення речовини та антиречовини. Однак сучасна астрофізика не має даних, які дозволили б хоча б припустити наявність у Всесвіті областей, заповнених антиречовиною.
Як же стався у Всесвіті вибір на користь речовини та на шкоду антиречовині, хоча закони симетрії переважно виконуються? Причиною цього феномена, швидше за все, стало саме порушення симетрії, тобто флуктуація лише на рівні основ матерії.
Ясно одне: якби такої флуктуації не виникло, доля Всесвіту була б сумною — вся її матерія існувала б у вигляді нескінченної хмари фотонів, що з'явилися в результаті анігіляції частинок речовини та антиречовини.
На сучасному рівні знань у електронів та ін (див. нижче), а також у кварків внутр. структура не виявлена, хоч і існують теоретич. моделі, згідно з якими і лептони, і кварки побудовані з більш фундаментальних цеглинок світобудови - преонів (цей термін, втім, поки не є загальноприйнятим).
Історично першими експериментально виявленими е.ч. були електрон, протон, а потім нейтрон. Здавалося, що сукупності цих частинок та кванта ел.-магн. поля фотона достатньо для побудови відомих форм речовини (атомів та молекул). Речовина за такого підходу будувалася з протонів, нейтронів і електронів, а эл.-магн. поле (фотони) здійснювало взаємодію між ними. Однак незабаром з'ясувалося, що світ улаштований значно складніше. Було встановлено, що з кожної частки є своя , яка від неї лише знаком зарядів (див. нижче); для частинок з нульовими значеннями всіх зарядів античастинка збігається з частинкою (приклад - фотон). Далі, з розвитком експериментальної ядерної фізики, до перерахованих вище чотирьох (або з урахуванням античасток - семи) частинок додалося ще понад 300 частинок. Можна вважати встановленим, що більшість цих частинок побудовано з кварків, число яких дорівнює 6 (або 12 з урахуванням антикварків).
Ще одним найважливішим досягненням фізики мікросвіту стало відкриття, що Е.ч. притаманне не лише ел.-магн. взаємодія. З вивченням будови атомних ядер з'ясувалося, що сили, які утримують протони і нейтрони в ядрі, є електромагнітними.
Характерна для нуклонів (протонів і нейтронів в ядрі) взаємодія отримала назву сильного. Воно виявилося короткодіючим – на відстанях r, Що перевищують 10 -13 см, сильна взаємодія зневажливо мало. Однак при rЯдерні сили). Відкриття нестабільності нейтрону і деяких атомних ядер вказало існування ще одного типу взаємодії, названого слабким. Трьома переліченими вище типами взаємодій, а також гравітаційною взаємодією вичерпуються відомі типи фундаментальних фіз. взаємодій. Існує думка, що це 4 (чи хоча б 3) типу взаємодій є явища однієї природи і мають описуватися єдиним чином.
Єдина теорія слабких та ел.-магн. взаємодій вже побудована та підтверджена досвідом; є теоретичні моделі, які одноманітно описують всі типи взаємодій (див. ).
2. Класифікація елементарних частинок
Табл. 1. Елементарні частки ( Q- Електрич. заряд, L- Лептонний заряд, B- Баріонний заряд, S- Дивність, C- Чарівність).
| Тип частки | Символ | Маса m, МеВ | Спін, у од. |
Час життя, з |
Q | L | B | S | C |
| Лептони | e - | 0,511 | 1/2 | align="absmiddle" width="65" height="15"> | -1 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| стабільно 3) | 0 | ||||||||
| 105 | -1 | ||||||||
| стабільно 3) | 0 | ||||||||
| 1784 | -1 | ||||||||
| стабільно 3) | 0 | ||||||||
| Мезони- переносники взаємодії |
0 | 1 | стабільний | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | |
| W | |||||||||
| Z 0 | 0 | ||||||||
| глюон 5) | 0 6) | стабільний 6) | 0 | ||||||
| Мезони (адрони) |
135 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| 140 | +1 | 0 | 0 | ||||||
| K 0 | 498 | 0 | +1 | 0 | |||||
| K + | 494 | +1 | +1 | 0 | |||||
| D 0 | 1864 | 0 | 0 | +1 | |||||
| D+ | 1869 | ~ 10 -12 | +1 | 0 | +1 | ||||
| F+ | 2020 | +1 | -1 | +1 | |||||
| Баріони 8) (адрони) | p | 938,3 | 1/2 | >10 38 | +1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| n | 939,6 | 900 | 0 | 0 | 0 | ||||
| 1115 | 0 | -1 | 0 | ||||||
| 1189 | +1 | -1 | 0 | ||||||
| 1192 | 0 | -1 | 0 | ||||||
| 1197 | -1 | -1 | 0 | ||||||
| 1315 | 0 | -2 | 0 | ||||||
| 1321 | -1 | -2 | 0 | ||||||
| 1672 | -1 | -3 | 0 | ||||||
| 2280 | ~ 10 -13 | +1 | 0 | 1 |
1) Крім частинок, наведених у таблиці, є велика кількість короткоживучих частинок, т.зв. резонансів, що мають час життя ~ 10 -20 -10 -24 с. Для наведених частинок у таблиці частинок не вказано їх античастинки, що мають ті ж значення маси, часу життя, але протилежні знаки квантових чисел Q, L, B, S, C.
2) Вважають, що , хоча спец. підстав для цього немає; можливо, .
3) Якщо , то природно очікувати, що нейтрино нестабільні, хоча час життя може бути дуже велика.
4) Наведено теоретич. оцінка.
5) Глюон як вільна частка не існує.
6) Теоретич. оцінка.
7) K 0 - і -мезони не мають певного часу життя.
8) Повинні існувати баріони з великими значеннями C(до 3), а також з ненульовими значеннями Cі Sодночасно; виявлений мезон (ГеВ), у якого не дорівнює нулю квантове число ("краса"), що приписується b-Кварку.
Залежно від характеру взаємодії Е.ч. поділяються на дек. великих груп (табл. 1). е.ч., яким притаманна сильна взаємодія, зв. . До адронів належать протони, нейтрони і більш важкі частки гіперони (всі вони об'єднані загальною назвою), а також велике насіння. Частинки, які беруть участь у сильній взаємодії, зв. . Сюди відносяться крім електрона два інших заряджених лептонів: мюон і тау-лептон ("важкий лептон"), які відповідно в 210 і 3600 разів масивніше електрона. Кожному зарядженому лептон відповідає нейтральна частка - (електронне, мюонне або тау). Маса нейтрино дорівнює нулю чи дуже мала. Відомо 6 (з античастинками 12) типів лептонів. Нейтральні лептони беруть участь тільки в слабкій взаємодії; заріджені - зі слабким та електромагнітним. У нейтральних лептонів, втім, можуть бути дуже малі магни. моменти. Адрони беруть участь у сильному, слабкому та ел.-магн. взаємодіях. І, зрозуміло, всі частки взаємодіють гравітаційно. Крім перерахованих, є частинки - переносники взаємодій: фотон (переносник ел.-магн. взаємодії), W-і Z0-бозони (переносники слабкої взаємодії). Вважається, що існує переносник гравітації. взаємодії – гравітон.
е.ч. характеризуються своєю масою, електричним зарядом, власним моментом кількості руху.
Маси найлегших частинок (таких як фотони) рівні нулю, а маси найбільш важких з відомих частинок у 100 разів перевищують масу протона. Електрич. заряд Е.ч. є цілим кратним зарядом електрона. Срин частинок буває лтбо цілим (0, 1, 2, ...) - у разі вони називаються бозонами, чи напівцілим (1/2, 3/2, ...) - у разі їх називають ферміонами.
Лептонам приписують т.зв. лептонний заряд L, Приймається рівним +1 для частинок і -1 для їх античасток. Введення цього заряду обґрунтовано тим, що у всіх процесах, що відбуваються в замкнутій системі, повне число лептонів хвилин антилептонів зберігається. Крім того, кожна пара лептонів володіє своїм спеціальним лнптонним зарядом, відповідно. Введення цих зарядів відбиває та обставина, що, напр., електронне нейтрино, налітаючи на нейтрон, може народити електрон, але з мюон чи -лептон. Значення рівні +1 для зазначених пар лептонів і -1 їх античастинок. Зараз, проте, широко обговорюється можливість, що вільне нейтрино згодом може змінювати свій лептонний заряд, перетворюючись на нейтрино іншого типу (нейтринні осциляції). У результаті різних відстанях від свого народження нейтрино здатне народжувати заряджені лептони різного типу.
Баріонам, подібно до лептонів, приписується свій баріонний заряд, що зберігається. B. Природа збереження лептонного та баріонного зарядів остаточно не зрозуміла. Понад те, моделі великого об'єднання пророкують, що це збереження явл. лищь наближеним, хоча виявлення можливого порушення збереження знаходиться, мабуть, на межі або за межами суч. експериментальних можливостей Усі відомі лептони та баріони явл. ферміонами. Мезони немає ні баріонного, ні лептонного заряду і явл. бозонами. Крім того, адронам приписують специфічні квантові числа (заряди), які називають дивністю ( S), чарівністю ( C) і т.п., які, на відміну від Bі L, не зберігаються у слабких взаємодіях, зберігаючись у сильних та електромагнітних. В силу цього найлегші частки з (або ), будучи нестабільними, мають досить велику пору життя в масштабах світу Е.ч. (Див. табл. 1), т.к. до їх розпаду може призвести лише слабка взаємодія.
3. Кваркова модель будови адронів
Усі адрони, згідно з совр. уявленням, побудовані з найбільш фундаментальних частинок - кварків ( q). Як і лептони, кварки явл. ферміонами, їх спин дорівнює 1/2, електрич. заряд +2/3 та -1/3 (в од. заряду електрона), заряд антикварків -2/3 та +1/3, у всіх кварків барійний заряд B=1/3, лептонний заряд L=0. Аналогічно лептон кварки також групуються в пари. Причому, мабуть, має місце кварклептонна симетрія: кожній парі лептонів відповідає пара кварків (див. табл. 2). Парі (e,) відповідають кварки, що позначаються (u, d). Це найлегші кварки, їх маса складає 5-10 МеВ, їхня дивність, чарівність та ін. подібні квантові числа дорівнюють нулю. З таких кварків можна побудувати нуклоны, тобто. протон та нейтрон: p=( uud), n = ( udd). Др. можливі трійки цих кварків також реалізуються у природі, утворюючи більш важкі частки, напр. частинку зі спином 3/2 та масою 1240 МеВ. З пари кварк-антикварк будуються мезони, зокрема найлегший з відомих мезонів -мезон: ), ) і , що є сумішшю і .
Четвірка частинок ( u,d e) утворюють т.зв. перше кварк-лептонне покоління. Відомо ще два покоління ( c,s, ) та ( t,b,) (див. табл. 2), що містять більш масивні частинки.
Табл. 2. Кварки та лептони.
| I покоління | ІІ покоління | ІІІ покоління | ||||||||||
| Позначення | u | d | e | c | s | t | b | |||||
| Електичний заряд у од. заряду електрона | +2/3 | -1/3 | 0 | -1 | +2/3 | -1/3 | 0 | -1 | +2/3 | -1/3 | 0 | -1 |
| Маса, МеВ | 0,5 | 1200 | 150 | 105 | 1784 | |||||||
Очевидно, ці космології говорять про відсутність наступних кварк-лептонних поколінь (див. нижче). З іншого боку, трьох поколінь частинок виявляється достатньо теоретич. пояснення відмінності св-в частинок та античасток. Кожен із важких кварків ( c,sі t,b) володіє відповідно своїм квазовим числом, що зберігається. C, Sабо T, B. Оскільки Sзв. дивністю, і s-кварк зв. дивним; Cзв. чарівністю, B- красою, для Tтермін поки що не став. Частки, до складу яких брало входить s-Кварк, зв. дивними. Замінюючи теоретично один, два чи три кварки в нуклоні, можна пояснити існування всіх відкритих дивних баріонів - гіперонів (див. табл. 1). Аналогічно під час заміни u- або d-кварка в -мезоні на s-Кварк модно отримати виявлений в природі дивний К-мезони. Так само спостерігаються зачаровані частинки (с ) мають у своєму складі з-Кварк і т.д. У принципі можливі пов'язані стану всіх шести типів кварків між собою, але на досвіді поки що спостерігається лише частина з них. Проте всі відкриті адрони можна описати як пов'язані стану цих шести кварків.
Кожен кварк має квантове число, яке називається кольором. Колір явл. аналогом електрич. заряду, хоч і більш складним. Наявність кольору пояснює сильну взаємодію кварків, яка відсутня у лептонів, що не мають кольору.
Аналогічно тому, як електричні заряди взаємодіють за допомогою фотонів, так взаємодію кольорових зарядів здійснюють переносники сильної взаємодії – глюони. Однак, на відміну від єдиного фотона, є вісім різних типів глюонів. Др. істотна відмінність полягає в тому, що фотон не має електричної. заряду і тому сам із собою не взаємодіє, а глюони, маючи колірний заряд, взаємодіють один з одним. Очевидно, у цьому є причина принципово нового явища, званого конфайнментом чи невилітанням кварків. Справа в тому, що, незважаючи на досить великі енергії частинок, прискорених у совр. прискорювачі, кварки спостерігати у вільному стані не вдається. Вони, мабуть, існують у природі лише у вигляді пар кварк-антикварк (), трійок ( qqq) або більш складних утворень, але обов'язково таких, щоб електрич. заряд цих об'єктів виявлявся цілим. Всі подібні об'єкти мають нульовий колірний заряд. Якщо говорити дуже спрощено, то явище конфайнменту полягає в наступному. При спробі отримати кварк у вільному стані (тобто "витягнути" його з адрону на досить велику відстань, повідомивши йому високу енергію) напруженість поля некомпенсованого заряду кольору кварка виявляється настільки сильною, що за рахунок повідомленої енергії з вакууму народжується пара і антикварк рухається разом з кварком, який намагаються відірвати. В результаті вилітає не кварк, а складова частка, яка не має кольору. З цієї причини глюони також вдається спостерігати у вільному стані. Явище конфайнменту зумовлює малий радіус впливу сильної взаємодії.
Область фізики елементарних частинок, що вивчає взаємодію кварків і глюонів, зветься квантовою хромодинамікою. Квантова хромодинаміка явл. теорією сильної взаємодії Е.ч.
Т.о., на суч. рівні розуміння елементарності фундаментальними складовими матерії явл. 6 лептонів (з античастинками 12), 6х3 = 18 кварків (з античастинками 36), а також переносники взаємодії: сильного - 8 глюонів, електромагнітного - фотон, слабкого - W- та Z 0 -бозони. Лептони і кварки мають спін 1/2, а переносники взаємодії - спін, що дорівнює 1, їх називають векторними бозонами. Існування всіх перерахованих частинок підтверджується експериментом. Крім цього теорія вимагає існування постійного у всьому просторі скалярного поля, з яким різні лептони і кварки взаємодіють по-різному, що визначає відмінність їх мас. Кванти скалярного поля є нові, передбачувані теорією Е.ч. нульовим спином. Їх називають хіггсовськими бозонами (на ім'я англ. фізика П. Хіггса, 1964, що запропонував їх існування). Число хіггсовських бозонів може досягати дек. десятків. Взаємодія W-і Z0-бозонів зі скалярним полем обумовлює значення. масу цих частинок та малий радіус слабкої взаємодії. Хіггсівські бозони поки що не виявлені на досвіді. Більше того, низка фізиків вважає їхнє існування необов'язковим, проте повноцінної теоретичної схеми без хіггсівських бозонів поки що не знайдено.
Моделі великого об'єднання вимагають запровадження додаткових векторних частинок - переносників взаємодії адронів з лептонами. У найпростішому варіанті таких частинок має бути 12 із масою m~ 10 14 -10 15 ГеВ. Отримати та вивчити експериментально такі частки поки що неможливо, т.к. маса перебуває далеко поза енергій, досяжних на прискорювачах як існуючих конструкцій, і взагалі мислимих. При взаємодії з цими векторними бозонами не зберігається баріонний, ні лептонний заряд. Знову кількість частинок новому рівні елементарності наближається і навіть перевищує сотню. Втім, велика кількість нових частинок потрібна лише теорією, але не досвідом, і, можливо, інші, поки що невідомі теоретич. схеми дозволять обійтися без особливої множини вже відомих частинок.
Зростання кількості фундаментальних е.ч. змусив теоретиків шукати моделі, в яких брало всі сімейства кварків і лептонів, а також частинки - переносники взаємодії і хіггсовські бозони розглядалися б як складові з якихось більш фундаментальних об'єктів; одна з назв, що пропонуються для останніх, - преони.
основ. Проблема, що стоїть перед теорією преонів, полягає в тому, що маса об'єктів m, складених з преонів, повинна бути мала в порівнянні зі зворотним розміром цих об'єктів r-1. У ін. сторони, згідно з квантовою механікою, взагалі кажучи, має виконуватися умова. Задовільного вирішення цієї проблеми наразі немає. У той же час, абсолютно необов'язково структура матерії повинна нагадувати іграшку "матрьошку", не можна виключити, що лептони і кварки є і назавжди залишаться останнім етапом у дробленні речовини. Вирішальне слово тут має належати до експерименту. На жаль, експерименти на існуючих прискорювачах не можуть дати відповіді на поставлені запитання.
4. Елементарні частки та космологія
У первинній плазмі знаходилися всі Е.ч., народження яких могло відбуватися при даній температурі плазми. З розширенням Всесвіту темп-ра Tплазми падала, найбільш масивні частинки переставали народжуватися, які призводила до того що, що кількість масивних стабільних Е.ч. та античастинок в елементі т.зв. супутнього обсягу (тобто розширюється в темпі розширення Всесвіту) спадало пропорційно exp( mc 2 kT). Якби такий закон зменшення концентрації Е.ч. продовжувався до теперішнього часу (до К), то ніяких слідів Е.ч., народжених на ранніх стадіях еволюції всесвіту, тепер не залишилося б. Однак, коли концентрація таких частинок стає досить малою, їх взаємна анігіляція припиняється і надалі концентрація Е.ч. падає лише за рахунок розширення Метагалактики (тобто залишається постійною у супутньому обсязі). Це явище зв. загартуванням (іноді заморожуванням) концентрації. Для слабовзаємодіючих частинок їхня теперішня концентрація має бути порядку суч. концентрації реліктових фотонів 
. Саме така ситуація має місце для нейтрино. Розрахунок показує, що кількість реліктових нейтрино має бути дуже велика: (для кожного типу нейтрино). Остання обставина дозволяє отримати дуже сильне обмеження на масу нейтрино: ЕВ. Якби маса всіх типів нейтрино перевищувала зазначену межу, то нейтрино надавали б істотний вплив на темп розширення Всесвіту та його вік, що обчислюється за суч. значенню постійної Хаббла і щільності маси реліктових нейтрино, виявилося б менше, ніж дають астрофізич. оцінки та методи. Доказом того, що обмеження знизу на вік Всесвіту призводить до обмеження зверху на маси нейтрино, було дано С.С. Герштейном та Я.Б. Зельдовичем (1966 р.) та ініціювало застосування космологіч. методів до фізики Е.ч.
Дані космології дозволяють укласти також, що кількість різних нейтрино може бути довільно велике (В.Ф. Шварцман, 1969 р.). легких елементів (таких, як 4 He і дейтерій) у Всесвіті таке, що , тобто. все нейтрино вже відкрито. Щоправда, ряд фізиків, не довіряючи надійності існуючих даних, дотримуються іншої оцінки: . Можливо, незабаром кількість типів нейтрино стане відомо точно, т.к. відкритий 1983 р. Z 0 -бозон слабких взаємодій повинен, згідно з теоретич. передбаченням, розпадатися на всі типи нейтрино і тому вимір його повної ймовірності розпаду дозволить визначити. Пояснимо, як у достатку 4 He і 2 H можна визначити . Утворилися ці елементи на дуже ранній стадії розвитку Всесвіту, коли температура первинної плазми становила 1 МеВ-100 кеВ (в енергетич. одиницях або 10 10 -10 9 К. При такій темп-ре плазма містила приблизно в рівній кількості фотони, всі типи нейтрино, електрон-позитронні пари і невелика кількість нуклонів (~ 10 -10 від кількості легких частинок). рахунок процесів, обумовлених слабким взаємодією, напр., n+p+e - . N n /N pстає постійною, якщо знехтувати повільним розпадом енйтронів. Ця величина визначає відносне зміст (велика кількість) 4 He, т.к. за рахунок водневого ланцюжка практично всі нейтрони зв'язуються в ядра 4 He. Очевидно, що чим вищий темп розширення та охолодження, тим вищий темп-ра загартування і відповідно вище відношення N n /N p. Можна показати, що чим більше число різних типів частинок в первинній плазмі, тим вище темп розширення при даній температурі, тому додавання нових типів нейтрино в первинну плазму тягне за собою збільшення температури загартування і відповідно збільшення концентрації первинного 4 He. Совр. дані вказують, що частка 4 He (за масою) у речовині Метагалактики становить 22-25%, що знаходиться в добрій згоді з теорією при =3. Якби кількість типів нейтрино становило 10-20, кількість 4 He досягло б 40-50%, що зовсім відповідає даними спостережень. Розрахунок, однак, містить нек-рую невизначеність, пов'язану з тим, що відносна концентрація нуклонів відома з поганою точністю. За даними про кількість 2 H у Всесвіті можна отримати таке обмеження на величину f, при якому виключається >3. На жаль, співвідношення між сучасною кількістю дейтерію і первинним визначено досить погано і це залишає нек-ру лазівку для збільшення числа.
Космологія дозволяє також робити висновки про частинки і процеси, які знаходяться далеко за енергетич. межами, доступними суч. та майбутнім прискорювачам. Яскравим прикладом явл. оцінка концентрації магнітних монополів - частинок, що мають елементарний магн. заряд. Існування цих частинок передбачається моделями великого об'єднання. Їх маса повинна бути ~ 10 16 ГеВ, так що ні зараз, ні в найближчому майбутньому немає жодної надії отримати ці частинки в лабораторії, подібно до того, як отримують, напр., антипротони, W- і Z 0 -бозони.
Єдина можливість виявити ці частинки полягає у пошуках їх серед реліктових частинок. Теоретич. очікування концентрації реліктових монополів, отримані у межах найпростішої моделі, суперечать існуючим даним спостережень. Ця суперечність стала однією з передумов для створення формулювання моделі інфляційної моделі Всесвіту.
Взаємозв'язок фізики Е.ч. та космології особливо зміцнилася останнім часом. Зараз жодна теоретична. модель взаємодій Е.ч. не може бути визнаною, якщо вона не узгоджується з даними космології. З іншого боку, методи фізики Е.ч. дозволили вирішити ряд відомих космологічних проблем, таких як проблеми , однорідності та ізотропії, горизонту Всесвіту, близькості щільності речовини до критич. значенню.
1. Елементарні частки- Це мікрооб'єкти, розміри яких не перевищують розмірів атомних ядер. До елементарних частинок відносяться протони, нейтрони, електрони, мезони, нейтрино, фотони та ін.
Вираз елементарні частинки не слід розуміти як безструктурні частинки, не здатні до перетворень. Зміст будь-якого наукового терміна з розвитком науки поступово уникає його етимології. Так, атом залишався у уявленнях людей неподільним до виникнення на початку ХІХ ст. хімічної атомистики, У сучасному науковому знанні атом - це складна динамічна система, здатна до різноманітних перебудов. Так і елементарні частинки в міру відкриття нових властивостей виявляють все більш складну їх структуру.
Найбільш важливим властивістю елементарних частинок є їхня здатність народжуватися і взаємоперетворюватися один в одного при зіткненнях. Для протікання таких процесів необхідно, щоб стикаються частинки мали велику енергію. Тому фізику елементарних частинок називають фізикою високих енергій.
За часом життя всі елементарні частинки поділяються на три групи: стабільні, нестабільні та резонанси.
Стабільні частинки існують у вільному стані необмежено довго Таких частинок всього 11: протон р, е, електронне нейтрино 0, мюонне нейтрино, таонне нейтрино, їх античастки р, е, e, n, . Досвідчені факти спонтанного розпаду цих частинок наразі невідомі.
Нестабільні частки мають середній час життя? яке дуже велике в порівнянні з характерним часом ядерного прольоту 10 -23 с (часу проходження світлом діаметра ядер). Наприклад, у нейтрону = 16 хв, у мюона = 10 -6 с, у нарядного півонії = 10 -8 с, у гіперонів і каонів = 10 -4 с.
Резонанси мають часи життя, порівняні з пролітним часом 10 -23 с. Реєструються вони за резонансами на кривих залежності перерізів реакції від енергії. Багато резонансів тлумачаться як збуджені стани нуклонів та інших частинок.
2. Фундаментальні взаємодії. Вага різноманіття взаємодій, що спостерігаються між елементарними частинками та в природі в цілому, зводиться до 4 основних типів: сильного, електромагнітного, слабкого та гравітаційного. Сильна взаємодія утримує нуклони в атомних ядрах і властиво адронам (протонам, нейтронам, мезонам, гіперонам та ін.). До електромагнітного зводяться взаємодії, що проявляються на макрорівні-пружні, в'язкі, молекулярні, хімічні та ін. Слабкі взаємодії викликають β-розпад ядер і поряд з електромагнітними силами керують поведінкою пептонів-елементарних частинок з напівцілим спином, що не беруть участь у сильних взаємодіях. Гравітаційна взаємодія притаманна всім матеріальним об'єктам.
Порівнюють фундаментальні взаємодії між собою та їх інтенсивності. Однозначного визначення цього поняття та методу порівняння інтенсивностей немає. Тому застосовуються порівняння за сукупністю явищ.
Наприклад, відношення сили гравітаційного тяжіння між двома протонами до сили кулонівського відштовхування становить G (m p m p /r 2) /(e 2 /4πε 0 r 2) = 4πε 0 G(m p 2 /e 2) =10 -36 . Це число і береться як міра відношення гравітаційної та електромагнітної взаємодій.
Співвідношення між сильною та електромагнітною взаємодіями, що визначається за перерізами та енергіями ядерних реакцій, оцінюється як 10 4 : 1. Подібним чином порівнюються інтенсивності сильної і слабкої взаємодій.
Поряд з інтенсивністю як міра порівняння взаємодій використовують також час і відстань взаємодії. Зазвичай для порівняння часів беруть швидкості процесів при кінетичних енергіях часток Е = 1 ГеВ. При таких енергіях процеси, що викликаються сильними взаємодіями, відбуваються за час ядерного прольоту 10 -23 с, процеси, що викликаються електромагнітними взаємодіями, - за час 10 -19 с, слабкими - за час 10 -9 с, гравітаційними - 10 +16 с .
В якості відстаней для порівняння взаємодій зазвичай беруть довжину вільного пробігу частинки в речовині. Сильно взаємодіючі частки з Е= 1 ГеВ затримуються шаром важкого металу товщиною до 1 м. Тоді як нейтрино, здатне брати участь лише в слабкій взаємодії, при енергії в 100 разів менше (Е = 10 МеВ) може затриматися шаром 109 км!
а. Сильна взаємодіяне тільки найінтенсивніше, а й найкоротший в природі. На відстанях, що перевищують 10 -15 м, його роль стає незначною. Забезпечуючи стабільність ядер, це взаємодія практично не впливає на атомні явища. Сильна взаємодія не є універсальною. Воно притаманне не всім частинкам, а тільки адронам - нуклонам, мезонам, гіперонам та ін.
б. Електромагнітна взаємодіяза інтенсивністю на 4 порядки поступається сильному. Головною областю його прояви є відстані, починаючи від поперечника ядра 10 -15 м і аж приблизно до 1 м. Сюди входять структура атомів, молекул, кристалів, хімічні реакції, деформації, тертя, світло, радіохвилі та інші фізичні явища, доступні сприйняттю людини .
Найбільш сильна електромагнітна взаємодія у електрично заряджених частинок. У нейтральних частинок з ненульовим спином воно проявляється слабкіше і завдяки тому, що такі частинки мають магнітний момент порядку М=eћ/2m. Ще слабкіша електромагнітна взаємодія проявляється у нейтральних півонів π 0 і у нейтрино.
Винятково важливою властивістю ЕМ-взаємодії є наявність відштовхування між однойменно зарядженими, так і тяжіння між різноіменно зарядженими частинками. Завдяки цьому ЕМ-взаємодія між атомами та будь-якими іншими об'єктами з нульовим сумарним зарядом має відносно короткий радіус дії, хоча кулонівські сили між зарядженими частинками є далекодіючими.
е. Слабка взаємодіямізерно мало в порівнянні з сильним та електромагнітним. Але зі зменшенням відстаней воно швидко наростає. Якщо припустити, що динаміка наростання зберігається досить глибоко, то при відстанях близько 10 -20 м слабка взаємодія зрівняється з сильною. Але експериментальному дослідженню такі відстані поки що недоступні.
Слабка взаємодія зумовлює деякі процеси взаємоперетворень частинок. Наприклад, частка сигма - плюс - гіперон тільки під впливом слабкої взаємодії розпадається на протон і нейтральний півонія, Σ + => р + π 0 . Завдяки слабкій взаємодії йде β - розпад. Такі частки як гіперони, каони, мюони за відсутності слабкої взаємодії були стабільними.
м. Гравітаційна взаємодіянайслабше. Але воно характерне далекодії, абсолютної універсальністю (гравітують всі тіла) і однаковим знаком між будь-якою парою частинок. Остання властивість призводить до того, що гравітаційні сили завжди зростають із збільшенням маси тіл. Тому гравітація, незважаючи на все мізерну відносну інтенсивність, у взаємодіях космічних тіл - планет, зірок, галактик - набуває вирішальної ролі
У світі елементарних частинок роль гравітації незначна. Тому у фізиці атома, ядра та елементарних частинок гравітаційна взаємодія не береться до уваги.
3. Характеристики елементарних частинок. До початку 50-х років XX ст., Поки кількість відкритих частинок була відносно невелика, для опису частинок використовувалися загальнофізичні величини - маса m, кінетична енергія Е, імпульс р і одне квантове число - спин s, що дозволяв судити про величину механічного та магнітного моментів частки. Для нестабільних частинок додавали сюди ще середній час життя τ.
Але поступово в закономірностях народжень та розпаду певних частинок вдавалося виділити деякі ознаки, специфічні для цих частинок. Для позначення цих властивостей довелося запроваджувати нові квантові числа. Деякі їх було названо зарядами.
Наприклад, з'ясувалося, що при розпаді важких частинок, наприклад, нейтрона, ніколи не буває так, щоб утворилися одні легені, наприклад електрони е - , е + і нейтрино. І навпаки, при зіткненні електронів та позитронів не можна отримати нейтрон, хоча закони збереження енергії та імпульсу виконуються. Для відображення цієї закономірності було введено квантове число баріонних заряд В. Стали вважати, що у таких важких частинок-баріоїв В = 1, у їх античастинок В = -1. У легких частинок B = 0. У результаті відкрита закономірність набула форми закону збереження баріонного заряду.
Аналогічно для легких частинок емпірично були введені квантові числа – лептонні заряди L – ознаки забороненості деяких перетворень. Умовилися вважати, що лептонні заряди L е = +1 для електронів е - та електронних нейтрино ν e,L μ = + 1 для негативних мюонів μ - і мюонних нейтрино ν μ,L τ = +1 для негативних таонів τ - та таонних нейтрино v τ. Для відповідних античастинок L=-1. Як і баріонні, лептонні заряди зберігаються у всіх взаємодіях.
При відкритті гіперонів, що народжуються в сильних взаємодіях, виявилося, що їхній час життя не дорівнює часу прольоту 10 -23 с, що характерно для сильно взаємодіючих частинок, а в 10-13 разів більше. Це уявлялося несподіваним і дивним і можна пояснити лише тим, що частки, які народилися сильних взаємодіях, розпадаються у слабких взаємодіях. Для відображення такої властивості частинок ввели квантове число дивність S. У дивних частинок S = + 1, у їх античастинок S = - 1, в інших частинок S = 0.
Електричний заряд Q мікрочастинок виражається через його відношення до позитивного елементарного заряду е+. Тому електричний заряд Q частинок також ціле число квантове число. У протона Q = + 1, електрона Q = -1, у нейтрона, нейтрино та інших нейтральних частинок Q = 0.
Крім названих параметрів елементарні частинки мають інші характеристики, які тут не розглядаються.
4. Закони збереження у фізиці елементарних частинокможна розділити на три трупи: загальні закони збереження, точні закони збереження зарядів та наближені закони збереження.
а . Загальні закони збереженнявиконуються точно незалежно від масштабу явищ - у мікро-, макро- та мегасвіті. Ці закони випливають із геометрії простору - часу. Однорідність часу призводить до закону збереження енергії, однорідність простору – до закону збереження імпульсу, ізотропність простору – до закону збереження моменту імпульсу, рівноправність ІСО – до закону збереження центру інерції. Крім цих 4-х законів, сюди входять ще два, пов'язані з симетрією простору - часу щодо дзеркальних відображень координатних осей. З дзеркальної симетрії координатних осей випливає, що право-ліві симетрії простору тотожні (закон збереження парності). Закон, пов'язаний із дзеркальною симетрією часу, говорить про тотожність явищ у мікросвіті щодо зміни знаку часу.
б. Точні закони збереження зарядів. Будь-якій фізичній системі приписується цілий заряд кожного сорту. Кожен заряд аддитивний і зберігається. Таких зарядів 5: електричний Q, баріонний В, три леїгонних - електронний L e , мюоній L µ тонний L τ . Всі заряди є цілими і можуть мати як позитивні, так і негативні значення в нуль.
Електричний заряд має подвійне значення. Він є як квантове число, а й є джерелом силового поля. Баріонні та лептонні заряди не є джерелами силового поля. Для складної системи повний заряд будь-якого сорту дорівнює сумі відповідних зарядів елементарних частинок, що входять в систему.
в. Наближені закони збереженнявиконуються лише у деяких видах фундаментальних взаємодій. Вони відносяться до таких характеристик, як дивина S та ін.
Усі перелічені закони збереження зведено до таблиці 26.2.
5. Частинки та античастинкимають однакову масу, але всі заряди у них протилежні Вибір із пари частинки та античастинки довільний. Наприклад, у парі електрон + позитрон домовилися вважати електрон е - часткою, а позитрон е + - античастинкою. Заряди електрона Q = -1, В = 0, Le = +1, L = 0, L =0. Заряди позитрону Q = +1, В = 0, Le = -1, L = 0, L =0
Усі заряди системи частка + античастка дорівнюють нулю. Такі системи, у яких усі заряди дорівнюють нулю, називаються істинно нейтральними. Є істинно нейтральні та частинки. Їх дві: γ – квант (фотон) та η – мезон. Частинки та античастинки тут тотожні.
6. Класифікація елементарних частинокне завершено досі. В основу однієї з класифікацій в даний час покладено середній час життя, маса m, спин s, п'ять видів зарядів, дивина S та інші параметри частинок. Усі частки діляться на 4 класи.
1-й клас утворює одна частка - фотон. У фотона дорівнюють нулю маса спокою і всі заряди. Фотон-не піддається сильним взаємодіям. Його спин дорівнює 1, тобто за статистикою він бозон.
2-й клас утворюють лептон. Це легкі частки з нульовим баріонним зарядом. У кожної частинки - лептопа один із лентонних зарядів не дорівнює нулю. Лептони не схильні до сильних взаємодій. Спин всіх лептонів 1/2, тобто за статистикою, вони ферміони.
3-й клас утворюють мезони. Це частинки з нульовими баріонним та лептонними зарядами, що беруть участь у сильних взаємодіях. Усі мезони мають цілий спин, тобто за статистикою бозони.
4-й клас складають баріони. Це важкі частинки з відмінним від нуля баріонним зарядом В ≠ Про та з нульовими лептонними, Le, Lµ, Lτ = 0. Вони мають напівцілий спин (ферміони) і беруть участь у сильних взаємодіях. За здатністю частинок 3-го та 4-го класів брати участь у сильних взаємодіях їх називають ще адронами.
У таблиці 26. 3 наведені добре відомі частки - не резонанси з їх основними характеристиками. Наведено частинки та античастинки. Істинно нейтральні частинки, що не мають античастинок, розміщені посередині стовпця. Назви наведені лише частинок. Відповідна античастка виходить просто додаванням до назви Частинки приставки "анти". Наприклад, протон – антипротон, нейтрон – антинейтрон.
Антиелектрон е + має назву позитрон, що історично склалася. По відношенню до заряджених півонії і каон термін «античастка» практично не застосовується. Вони відрізняються лише Електричним зарядом. Тому просто говорять про позитивні або негативні півонії і каони.
Верхній знак заряду відноситься до частки, нижній до античастинки. Наприклад, для пари електрон - позитрон Le = ± 1. Це означає, що у електрона Le = + 1, а у позитрон Le = -1.
У таблиці прийняті позначення: Q - електричний заряд, баріонний заряд Le,Lµ,Lτ, - відповідно, електронний, мюонний, таонний лептопні заряди, S - дивина, s-спін, τ - середній час життя.
Маса спокою вказана в мегаелектронвольтах. З релятивістського рівняння mc 2 =еU випливає m=eU/c 2 . Енергії частки 1 МеВ відповідає маса m = eU / c 2 = 1,6 * 10 -19 / 9 * 10 16 = 17,71 * 10 -31 кг. Це близько двох електронних мас. Розділивши на масу електрона m e = 9, 11 * 10 -31 кг, отримуємо m = 1,94 m е.
Маса електрона, виражена через енергію, становить m е =0,511 МеВ.
7. Кваркова модель адронів. Адронами називаються елементарні частинки, що у сильних взаємодіях. Це мезони та баріони. У 1964 р. американці Мюррей Гелл-Ман і Джордж Цвейг висунули гіпотезу, що структура та властивості адронів можуть бути зрозумілі глибше, якщо припустити, що адрони складаються з фундаментальних частинок, названих Гелл-Маном кварками. Кваркова гіпотеза виявилася дуже плідною і зараз є загальноприйнятою.
Число гаданих кварків постійно збільшується. На цей час найбільш добре вивчені 5 різновидів (ароматів) кварків: кварк u з масою m u = 5 МеВ, кварк d з масою m d = 7 МеВ, кварк s з ms = 150 МеВ, кварк c з mc = 1300 МеВ і ква mb = 5000 МеВ. Кожен кварк має свій антикварк.
Усі перелічені кварки мають однаковий спін 1/2 та однаковий баріонний заряд В = 1/3. Кварки u, c мають дрібний позитивний заряд Q = + 2/3, кварки d, s,b мають
дробовий негативний заряд Q = – 1/3. Кварк s є носієм дива, кварк з носієм чарівності, кварк b - краси (таблиця 26.4).
Кожен адрон може бути представлений як комбінація кількох кварків. Квантові числа Q, В, S адронів виходять як сума відповідних чисел складових адронів кварків. Якщо в адрон входять два однакові кварки, то їх спини протилежні.
Баріони мають напівцілий спин, тому можуть складатися з непарного числа кварків. Наприклад, протон складається із трьох кварків, р => uud. Електричний заряд протону Q =+ 2/3+2/3 – 1/3 = 1, баріонний заряд протону B = 1/3+ 1/3 + 1/3 = 1, дивина S = О, спин s = 1/2 - 1/2 +1/2 = 1/2.
Нейтрон складається також із трьох кварків, n => udd. Q = 2/3-1/3-1/3 = О, B = 1/3+1/3+1/3=1, S = 0, s = 1/2 - 1/2 + 1/2 = 1/2. Комбінацією з трьох кварків вдається представити такі баріони: Λ 0 (uds), Σ + (uus), Σ 0 (uds), Σ - (dds), Ξ 0 (uss), Ξ - (dss), Ω - (sss) a ° (uss). В останньому випадку спини всіх кварків спрямовані в один бік. Тому - - гіперон має спин 3/2.
Античастинки баріонів утворюються із відповідних антикварків.
Мезони складаються з двох будь-яких кварка та антикварка. Наприклад, позитивний півонія π + (ud). Його заряд Q = +2/3- (-1/3) = 1, В = 1/3-1/3 = О, S = 0, спин 1/2 - 1/2 = 0.
Кваркова модель передбачає, що всередині адронів кварки існують, а досвід показує, що вилетіти з адронів вони не можуть. Але принаймні при тих енергіях, які можна досягти на сучасних прискорювачах. Велика ймовірність, що кварки взагалі не можуть існувати у вільному стані.
Сучасна фізика високих енергій вважає, що взаємодія між кварками здійснюється у вигляді особливих частинок - глюонов. Маса спокою глюонів дорівнює нулю, спин дорівнює одиниці. Допускається існування близько десятка різних видів глюонів.