Гравітаційні взаємодії , добре відомі за своїми макроскопічними проявами , у випадку елеметнарних частинок на характерних відстанях ~10-13 см дають надзвичайно малі ефекти . Силу різних класів взаємодій можна приблизно охарактеризувати безрозмірними параметрами , пов'язаними з квадратами констант відповідних взаємодій. Для сильних , електромагнітних слабких і гравітаційних взаємодій протонів при середній енергії процесів ~1 Г ев ці параметри відносяться , як 1:10-2: l0-10:10-38. Необхідність врахування середньої енергії процесу пов'язаного з тим , що для слабких взаємодій безрозмірний параметр залежить від енергії.
В залежності від участі в тих чи інших видах взаємодій всі вивчені елементарні частинки , за винятком фотона , можна поділити на дві основні групи: адрони(з грецької hadros – великий , сильний)і лептони (з грецької leptos–дрібний, тонкий, легкий ). Адрони характеризуються перш за все тим , що вони володіють сильними взаємодіями, тоді як лептони беруть участь тільки в електромагнітних і слабких взаємодіях. Маси адронів близькі до маси протона (mр) ; мінімальну масу серед адронів має p-мезон : mp"м 1/7Чmр. Маси лептонів , відомих до 1975-1976-х рр. , були невеликі (0,1mр ) , але нові дані вказують на можливість існування важких лептонів з такими ж масами , як у адронів . Першими дослідженими представниками адронів були протон і нейтрон, лептонів–електрон . Фотон , який володіє тільки електромагнітними взаємодіями , не можна віднести ні до адронів, ні до лептонів і повинен бути віднесений до окремої групи . Фотон , частинка з нульовою масою спокою , входить в одну групу з дуже масивними частинками–проміжними векторними бозонами , які відповідають за слабкі взаємодії.
Характеристики елементарних частинок
Кожна елементарна частинка описується набором дискретних значень певних фізичних величин , або своїми характеристиками. У певних випадках ці дискретні значення виражаються через цілі або дробові числа і загальний множник–одиницю виміру ; про ці числа говорять , як про квантові числа елементарних частинок, при цьому опускаючи одиниці виміру .
Загальними характеристиками всіх елементарних частинок являються маса (m), час життя (t) , спін(J), електричний заряд (Q). Поки що немає достатнього розуміння , по якому закону розподілені маси елементарних частинок і чи існує для них будь-яка одиниця виміру.
В залежності від часу життя елементарні частинки поділяються на стабільні , квазістабільні і нестабільні (резонанси). Стабільними являються електрон (t > 5Ч1021 років), протон (t > 2Ч1030 років), фотон і нейтрино. До квазістабільних відносять частинки , які розпадаються за рахунок електромагнітних і слабких взаємодій. Їх час життя > 10-20 сек (для вільного нейтрона навіть ~ 1000 сек). Резонансами називаються елементарні частинки , які розпадаються за рахунок сильних взаємодій. Їх характерний час життя 10-23-10-24 сек. В деяких випадках розпад тяжких резонансів (з масою і 3 Гев ) за рахунок сильних взаємодій являється подавленим і час життя збільшується до значень– ~10-20 сек.
Спін елементарних частинок являється цілим кратним від величини . В цих одиницях спін р- і К-мезонів дорівнює нулю, у протона, нейтрона і електрона J= 1/2, у фотона J = 1. Існують частинки і з більш високим спіном.
Елементарні частинки крім того характеризуються ще рядом квантових чисел , які називаються внутрішніми . Лептони несуть специфічний лептонний заряд L двох типів :електронний (Le)і мюонний (Lm); Le = +1 для електрона і електронного нейтрино , Lm= +1 для від'ємного мюона і мюонного нейтрино. Важкий лептон t і зв'язаний з ним нейтрино являються носіями нового типу лептонного заряду Lt. Для адронів L = 0, і це ще одна відмінність від лептонів. В свою чергу , значній частині адронів належить баріонний заряд В (|Е| = 1). Адрони з В = +1 утворюють підгрупу баріонів(сюди відносяться протон, нейтрон, гіперони, баріонні резонанси), а адрони з В = 0 – підгрупу мезонів(р- і К-мезони, бозонні резонанси). Останні дослідження показали , що маси баріонів і мезонів можна співставити. Для лептонів В = 0 .Для фотонів В = 0 і L = 0. Баріони і мезони поділяються на звичайні частинки (протон, нейтрон, р-мезони), дивні частинки (гіперони, К-мезони) і зачаровані частинки.
Для всіх елементарних частинок з нульовими значеннями хоча б одного із зарядів існують античастинки з тими самими значеннями маси , часу життя ,спіну, але з протилежними знаками всіх зарядів. Частинки , які не мають античастинок , називаються абсолютно нейтральними. Прикладом таких частинок служить фотон.
В наведеній нижче таблиці вказані всі відомі елементарні частинки (за винятком так званих резонансів) і дано деякі їх характеристики. Частинки в таблиці розміщені в порядку зростання їх мас . Частинки з масами, які не перевищують 207 електроних мас (крім однієї з них), складають групу легких частинок – лептонів, частинки з масами понад 207 електронних мас, але меншими за масу протона, входять до групи мезонів(середніх частинок), протон і більш масивні частинки складають групу баріонів. Особливе місце посідає в таблиці фотон.
При розгляді таблиці 1 звертають на себе увагу такі факти. По-перше, лише три з елементарних частинок – електрон, протон і нейтрон є основними: з них побудовані атоми і відповідно весь навколишній речовинний світ. Заряд елементарної частинки (виражений в елементарних зарядах) дорівнює або +1, або -1, або ж 0;дво- і багатозарядних частинок немає. Більшість елементарних частинок є нестійкими і мають дуже малий період життя. Кожній частинці (крім фотона і пі-нуль-мезона) відповідає античастинка. У 1964 році австрійським фізиком Дж. Цейгом і незалежно від нього американським фізиком М. Гелл-Манном запропонована гіпотеза про існування в природі невеликої кількості більш фундаментальних,” справді елементарних частинок ”, названих кварками . Згідно з цією гіпотезою, всі мезони і баріони побудовані з кварків і антикварків, з'єднаних між собою в різних комбінаціях. Найбільш дивна(майже неймовірна) властивість кварків пов'язана з їх електричним зарядом – припускається , що кварки мають дробове зна- чення елементарного електричного заряду. Нині в багатьох фізичних лабораторіях світу ведуться експерементальні пошуки кварків.
Елементарні частинки і квантова теорія поля
Для опису властивостей і взаємодій елементарних частинок в сучасній теорії суттєве значення має поняття фізичного поля, яке ставиться у відповідність кожній частинці . Поле – це специфічна форма матерії ; воно описується функцією, яка задається у всіх точках (x) простору-часу, яка характеризується певними трансформаційними властивостями по відношенню до групи Лоренца (скаляр, спінор, вектор і т.д.)і груп “внутрішніх” симетрій (ізотопічний скаляр, ізотопічний спінор і т.д.). Електромагнітне поле , яке характеризується властивостями чотирьох вимірного вектора Аm(х) (m = 1, 2, 3, 4), – історично перший приклад фізичного поля. Поля , які можна співставити з елементарними частинками , мають квантову природу, тобто їх енергія і імпульс складаються із багатьох окремих порцій–квантів, причому енергія і імпульс кванта зв'язані співвідношенням спеціальної теорії відносності : Ek2 = pk2c2 + m2c2. Кожний такий квант і є елементарна частинка із заданою енергією, імпульсом і масою .Квантами електромагнітного поля являються фотони , кванти інших полів відповідають всім іншим відомим елементарним частинкам. Поле є фізичне відображення існування безкінечної сукупності частинок – квантів. Спеціальний математичний апарат квантової теорії поля дозволяє описати народження і знищення частинки в кожній точці x.
Для опису процесів , що відбуваються з елементарними частинками , необхідно знати , як різні фізичні поля пов'язані один з одним, тобто знати динаміку полів . У сучасному апараті квантової теорії поля повідомлення про динаміку полів містяться в особливій величині, яка виявляється через поля–лагранжіана (L).Знання L дозволяє в принципі розраховувати ймовірність переходів від однієї сукупності частинок до іншої під впливом різних взаємодій .
Таблиця 1
Назва частинки | Символ частинка | Символ античастинка | Електричний заряд | Маса спокою | Час життя всек. (наближено) |
| Лептони:ФотонНейтрино електроннеНейтрино мюоннеНейтрино таонне ЕлектронМюонТаон | VVeVмVфe-м-ф - | Ve VмVфe+м+ф+ | 0000111 | 00001206,83487 | СтабільнийСтабільнеСтабільнеСтабільнеСтабільний-6 10 -1210 |
| Мезони:ПіониКаониЕта-мезони | { р0 , р+{ К0 , К+ з0 | р0 р- К0 К- з0 | 0 1 0 1 0 | 264,1 273,1 974,0 966,2 1074 | -610-810-10 -810 - 10-810-1910 |
| Баріони:ПротонНейтронГіперони:лямбдасигмаксі омега | р n л0 У0 {У+ У- О0 О- Щ- | р n л0 У0 У+ У- О0 О- Щ- | 1 0 0 0 1 1 0 1 1 | 1836,2 1838,7 2183 2334 2328 2343 2573 2586 3273 | Стабільний 3 10 -1010-2010-10 10 -1010-1010-1010 -1010 |
В період 50-70-х років був досягнутий значний прогрес в розумінні струк- тури лагранжиана , який дозволив істотно уточнити його форму для сильних і слабких взаємодій. Вирішальну роль в цьому відіграло вияснення тісного взаємозв'язку між властивостями симетрії взаємодій елементарних частинок і формою лагранжиана.
Симетрія взаємодій елементарних частинок знаходить своє відображення в існуванні законів збереження певних фізичних величин і ,відповідно, в збереженні звязаних з ними квантових чисел елементарних частинок. Точна симетрія , яка має місце для всіх класів взаємодій, відповідає наявності у елементарних частинок точних квантових чисел ; наближена симетрія , характерна лише для деяких кла- сів взаємодій (сильних, електромагнітних), приводить до неточних квантових чисел. Якщо симетрія точна , то маса кванта поля дорівнює нулю. Для наближеної симетрії маса кванта векторного поля відмінна від нуля.