Классификация элементарных частиц

Важнейшим общим свойством элементарных частиц является их способность к взаимному превращению. При распаде частиц одни частицы исчезают, другие рождаются. Взаимное превращение частиц происходит и при столкновениях двух частиц высоких энергий. Например, два протона, столкнувшись, могут превратиться в другие частицы:

p + p→р + n + π⁺, p + p → p + A + К⁺.

Во всех превращениях частиц выполняется закон сохранения полной энергии, включающей энергию, соответствующую массам покоя, и кинетическую энергию частиц, причем эти энергии могут переходить друг в друга.

При самопроизвольном распаде частицы суммарная масса покоя образующихся частиц меньше массы покоя распавшейся частицы, а энергия, соответствующая этой разности масс покоя, превращается в кинетическую энергию частиц — продуктов распада.

При столкновении двух частиц возможно обратное превращение энергии. В приведенных выше примерах масса покоя рождающихся частиц больше массы, покоя двух сталкивающихся протонов за счет их кинетической энергии.

Два протона, столкнувшись, могут породить пион:

р + р → р + р + π°,

если их кинетическая энергия при столкновении превышает энергию, соответствующую массе покоя пиона. Этот пример особенно нагляден, поскольку сохраняются исходные частицы, и образуется новая.

При превращениях частиц кроме закона сохранения полной энергии выполняются законы сохранения заряда, количества движения.

Известные в настоящее время элементарные частицы приведены в табл. 38.1. Важнейшей характеристикой частицы является ее масса, которая отражает инертные и гравитационные свойства частицы и определяет имеющийся в ней запас энергии. В табл. 38.1 приведена масса покоя, выраженная в мегаэлектронвольтах. Легчайшей частицей, обладающей массой покоя, является электрон (0,511 МэВ).

Большинство частиц обладает спином, т. е. собственным моментом количества движения. Можно представить, что они, наподобие волчка, вращаются вокруг собственной оси. Спин частицы каждого вида имеет строго определенное значение: если спин фотона принять за единицу, то все частицы имеют спин 0,1/2 или 1 (кроме гиперона Ω^—, спин которого равен 3/2).

Некоторые частицы нейтральны, другие обладают положительным или отрицательным электрическим зарядом, равным по величине заряду электрона. Заряд входит в обозначение всех заряженных частиц, кроме протона.

Почти все элементарные частицы нестабильны. В свободном состоянии стабильны только протон, электрон и частицы, не имеющие массы покоя (фотон и нейтрино). Остальные частицы самопроизвольно распадаются и все, кроме нейтрона, имеют очень непродолжительное среднее время жизни. В табл. 38.1 приведены типичные способы распада.

Элементарные частицы делятся на четыре класса:

• фотоны (γ-кванты); фотоны не имеют массы покоя и заряда; спин равен 1;
• лептоны — легкие частицы; у лептонов спин равен 1/2;
• мезоны — промежуточные частицы; спин мезонов равен 0;
• барионы — тяжелые частицы; самый легкий барион — протон; у всех барионов, кроме Ω^—частицы, спин равен 1/2.

Частицы различных классов отличаются не только массой и значением спина. Так, фотоны и лептоны не участвуют в ядерных взаимодействиях, а мезоны и барионы участвуют.

У лептонов и барионов внутри класса действуют законы сохранения числа частиц. Когда, например, исчезает один барион, вместо него появляется другой. Закон сохранения числа барионов делает протон стабильным: он самый легкий барион и поэтому не может самопроизвольно распадаться с образованием другого бариона. Законы сохранения числа барионов и числа лептонов многократно проверены на опыте.

У класса мезонов и фотонов закон сохранения не выполняется, и они могут возникать и исчезать в любом количестве.