Элементарные частицы — это мельчайшие из известных науке объектов, которые в рамках современных представлений не удаётся разложить на более простые составляющие. Они рассматриваются как фундаментальные структурные единицы вещества и полей, определяющие микромир и лежащие в основе строения Вселенной.
Понятие элементарных частиц
Под элементарными частицами понимают объекты субъядерного масштаба, для которых при современных энергиях экспериментов не обнаружено внутренней структуры. В отличие от атомов, молекул и атомных ядер, такие частицы не считаются составными системами в обычном смысле. Их свойства описываются законами квантовой механики и релятивистской физики.
Основные характеристики элементарных частиц включают:
-
массу;
-
электрический заряд;
-
спин;
-
время жизни;
типы фундаментальных взаимодействий.
Одни частицы стабильны и существуют практически неограниченно долго, другие возникают лишь на очень короткое время и быстро распадаются. Современное обобщённое описание совокупности частиц и их взаимодействий даёт стандартная модель.
Принципы классификации
Классификация элементарных частиц основана на нескольких признаках.
По строению:
-
фундаментальные частицы (кварки, лептоны, бозоны взаимодействий, бозон Хиггса);
-
составные частицы (адроны), представляющие собой связанные системы фундаментальных частиц.
По спину:
-
фермионы — частицы с полуцелым спином, образующие вещество;
-
бозоны — частицы с целым спином, обычно являющиеся переносчиками взаимодействий.
По характеру взаимодействий:
-
частицы, участвующие в сильном взаимодействии (адроны);
-
частицы, не испытывающие сильного взаимодействия (лептоны и ряд бозонов).
Кварки и лептоны
Фундаментальные фермионы делятся на две группы: кварки и лептоны.
Кварки:
-
являются основой адронов;
-
не наблюдаются в свободном состоянии;
-
удерживаются внутри частиц сильным взаимодействием;
-
представлены шестью типами, различающимися массой и квантовыми числами.
Лептоны:
-
не участвуют в сильном взаимодействии;
-
могут существовать как свободные частицы;
-
включают электрон, мюон, тау-лептон и соответствующие нейтрино.
Для каждой частицы существует античастица с той же массой и спином, но противоположным знаком электрического заряда и некоторых других квантовых чисел.
Адроны: барионы и мезоны
Адроны — это составные частицы, построенные из кварков и участвующие в сильном взаимодействии. Они делятся на два основных класса:
-
барионы — состоят из трёх кварков; к ним относятся протон и нейтрон, образующие атомные ядра и определяющие основную массу обычного вещества;
-
мезоны — состоят из пары «кварк – антикварк», как правило нестабильны и существуют очень короткое время, играя важную роль в взаимодействиях между нуклонами.
Помимо устойчивых частиц, известны многочисленные короткоживущие возбуждённые состояния адронов, называемые резонансами.
Бозоны и переносчики взаимодействий
Бозоны, связанные с переносом фундаментальных взаимодействий, образуют особую группу.
К основным бозонам относятся:
-
фотон — квант электромагнитного поля, отвечающий за электромагнитное взаимодействие;
-
глюоны — переносчики сильного взаимодействия между кварками;
-
бозоны W и Z — частицы, реализующие слабое взаимодействие;
-
бозон Хиггса — частица, связанная с механизмом возникновения массы у фундаментальных частиц.
Изучение элементарных частиц позволяет описывать строение вещества, природу фундаментальных сил и эволюцию Вселенной, формируя современную картину мира на микроуровне