Александр Потупа - Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

Элементарные частицы характеризуются рядом параметров - таких, как масса, собственный момент количества движения (спин), заряды, с помощью которых обычно описывается взаимодействие и (или) законы сохранения*. Если частица нестабильна, то есть самопроизвольно распадается в вакууме, то по известным схемам распада вычисляют ее время жизни, и оно должно полностью выражаться через фундаментальный набор констант.

* Массы частиц можно выражать в граммах или килограммах, однако это не очень удобно. Поэтому используют специальные энергетические единицы электронвольт и его производные (чаще всего 1 МэВ = 106 эВ и 1 ГэВ = 109 эВ), в масштабе которых величины mс2 не имеют слишком больших или слишком малых множителей.

Собственный момент количества движения (спин) всегда дается в единицах постоянной

Планка h. Частицы, чей спин выражается в целых значениях h (0, h, 2h и т. д.),

называют бозонами (в честь индийского физика Шатьендраната Бозе), а в полуцелых

(h/2, 3h/2 и т. д.) - фермионами (в честь итальянского физика Энрико Ферми).

Электрический заряд всегда задают в единицах заряда электрона, а для описания электромагнитных взаимодействий удобна безразмерная величина ? = e2/ hc ? 1/137, так называемая постоянная тонкой структуры Аналогичные константы для описания сильных взаимодействий в 100 - 1000 раз больше. Для слабого взаимодействия вводится универсальная постоянная Ферми GF ? 10-5. h3/mp2c.

Аналогом постоянной тонкой структуры в гравитационных взаимодействиях служит квадрат отношения массы элементарной частицы к планковской массе (?гр = Gm2/ hc = 1/2 (m/mP)2). Некоторым частицам приписывают заряды, не имеющие динамического смысла, необходимые лишь для того, чтобы характеризовать сохранение частиц определенного сорта в реакциях. Так вводят, например, барионный заряд, полагая, что в любой реакции разность между числом барионов и антибарионов постоянна.

Калибровочные бозоны* - частицы со спином единица, переносчики электрослабого взаимодействия. В это семейство входят фотон (от греч. photos - частица света) - безмассовый квант электромагнитного поля (экспериментальное ограничение m? < 3.10-33 МэВ) и открытые совсем недавно промежуточные бозоны - два заряженных W+ и W- (mw = 80,6 +- 0,4 ГэВ) и один нейтральный Z0 (mZ = 91,161 +- 0,031 ГэВ). Фотон стабилен. W- и Z-бозоны, самые тяжелые из известных частиц, распадаются на лептон-антилептонные пары, однако их времена жизни оцениваются пока весьма приближенно (? ~ (2 ? 3) 10-25 с).

*Здесь и в дальнейшем данные заимствуются из "Обзора свойств частиц", составленного международной группой по данным о частицах (Particle Data Group, "Review of Particle Properties", Physics Letters, В 239, April, 1990).

Лептоны (от греч. leptos - легкий, мелкий) - к этому семейству частиц относятся электрон (е-), мюон (?-), ?-лептон (?-) и три типа нейтрино электронное (?e), мюонное (?? )и ?-нейтрино (??), а также соответствующие античастицы - позитрон (е+), антимюон (?+), анти-? (?+) и три типа антинейтрино (?e, ??,??). Все они - фермионы со спином 1/2. Характерное свойство лептонов - отсутствие собственной структуры, в рамках современных экспериментальных данных их рассматривают как точечные частицы, которые не способны напрямую участвовать в сильных взаимодействиях. Массы и времена жизни лептонов указаны в таблице (у соответствующих антилептонов те же параметры):

#

Частица ?e е ?? ? ?? ?

Масса (МэВ) 0(<17эВ) 0,51099906(15) <0,27 105,65839 (6) <35 1784,1(3)

Время жизни (сек) стабильно (?>300m?e)

стабилен (?> 2.1022 лет) стабильно (? > 1,1.105 . m??,) 2,19703(4).10-6

? (3,03 (0,08).10-13

#

ТАБЛИЦА ЛЕПТОНОВ В экспериментах московской группы из Института теоретической и экспериментальной физики по уточнению спектра ?-распада (n ( p + e-+?e) было получено нижнее ограничение на массу электронного нейтрино (14 эВ < m?e < 46 эВ), что эквивалентно доказательству наличия у нейтрино ненулевой собственной массы. Пока этот результат не подтвержден достаточным объемом независимых данных. Природа процессов, приводящих к огромному расщеплению масс е - ? - ?, пока не выявлена, и поэтому неясно, могут ли существовать недоступные современному эксперименту новые члены лептонного семейства.

Кварки (от англ. quark - образ таинственного духа, заимствованный из романа Джеймса Джойса "Поминки по Финнегану") - особые фермионы, существующие внутри адронов, но пока никогда не наблюдавшиеся в свободном виде. Несмотря на это, кварки считаются экспериментально обнаруженными объектами, например, очень быстрые электроны сталкиваются с ними, пролетая сквозь адрон. Для описания современных данных, связанных с адронами, вводят пять типов кварков - так называемых ароматов: u (верхний, от англ. up), d (нижний, от англ. down), с (очарованный, от англ. charm), s (странный, от англ. strange), b (прелестный от англ. beauty, или низший от англ. bottom), кроме того, есть серьезные теоретические основания дополнить их шестым t кварком (высшим от англ. top). Это устанавливает очень полезную симметрию между кварками и лептонами, которую можно задать классификацией обоих семейств по поколениям. В первое поколение входят ?e и е и, соответственно, u- и d-кварки, во второе - ?? и ? вместе с с- и s-кварками, в третье - ?? и ? вместе с t- и b-кварками. Электрические заряды кварков выражаются в долях заряда электрона (+ 2/3 у u, с, t и -1/3 у d, s, b; для антикварков заряды имеют противоположные знаки). Но кроме аромата кваркам необходимо приписать особое зарядовое свойство, обычно именуемое цветом*. Каждый кварк существует в одном из 3-х цветовых состояний (например, желтом, синем или красном). Таким образом, кварков 18 (столько же антикварков), и в каждом лептон-кварковом поколении содержится по 8 частиц.