Фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы

Как уже отмечалось ранее, при изучении механики, в природе существует четыре вида фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие универсально: в нем участвуют все элементарные частицы.

В слабом взаимодействии участвуют все частицы, кроме фотона.

Электромагнитное взаимодействие связывает только заряженные частицы и фотоны.

Сильное взаимодействие определяет связь между адронами.

Таблица 1. Основные характеристики фундаментальных взаимодействий

В таблице 1 условно представлены важнейшие элементарные частицы, принадлежащие к основным группам (адроны, лептоны, переносчики взаимодействия), и показаны типы

Фундаментальные взаимодействия принято изображать в виде диаграмм.

а) гравитационное, б) слабое, в) электромагнитное, г) сильное.

Элементарная частица – микрообъект, который невозможно расщепить на составные части, всего их открыто более 400.

У каждой элементарной частицы (а) есть античастица (а), имеющая равную массу покоя, спин, время жизни и противоположный заряд. При взаимодействии частицы и античастицы происходит их аннигиляция с образованием фотонов.

По величине спина все элементарные частицы делят на бозоны – частицы с целым спином: 0, h, 2h … и фермионы, спин которых полуцелый: ½h, 3½h … . На фермионы распространяется принцип Паули: в одном энергетическом состоянии могут находиться не более двух фермионов с противоположными спинами.

По видам взаимодействия элементарных частиц в фундаментальных взаимодействиях все элементарные частицы принято условно делить на 4 класса. К одному из них относится только одна частица – фотон. Второй класс образуют лептоны (легкий), третий барионы и четвертый – мезоны (средний). Барионы и мезоны часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц называемых адронами (крупный, массивный).

Деление по массе условно, так как в настоящее время обнаружены лептоны по массе превосходящие адроны.

1. Фотоны или g кванты электромагнитного поля участвуют в электромагнитных взаимодействиях, но не обладают сильным и слабым взаимодействием.

2. К лептонам относятся частицы, не обладающие сильным взаимодействием: электроны (е^-, е⁺), мюоны (m^-, m⁺), электронные и мюонные нейтрино. Все лептоны имею спин, равный ½, и, следовательно являются фермионами. Все лептоны обладают слабым взаимодействием. Те из них, которые имеют заряд (электроны и мюоны) обладают электромагнитным взаимодействием. Для выделения класса вводится квантовое число – лептонный заряд L. Справедлив закон сохранения лептонного заряда: сумма лептонных зарядов до и после взаимодействия сохраняется.

3. Барионы объединяют в себе нуклоны (p, n) и нестабильные частицы гипероны с массой больше нуклонов (L, å⁺, å⁰, å^-, X⁰, X^-, W^-). Все они участвуют в сильном взаимодействии. Спин барионов равен ½, следовательно они являются фермионами. При распаде барионов всегда образуется барион, поэтому говорят о законе сохранения барионного заряда.

4. Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, не обладающие барионным зарядом. К ним относятся p-мезоны или пионы
(p⁺, p⁰, p^-), К-мезоны или каоны и h-мезон. Мезоны могут участвовать в сильных, слабых и электромагнитных (если заряжены) взаимодействиях. Спин мезонов равен нулю, следовательно они являются бозонами.

В целом, тот факт, что адроны имеют большие массы по сравнению с лептонами, позволил предположить, что они являются составными.
В частности состав нейтрона и протона был представлен в виде двух кварков: u и d. Заряды этих кварков дробные: q_u = +(2/3)е, q_d = –(1/3)е. Спин обоих кварков равен ½. В этом случае кварковый состав протона можно представить как uud, а нейтрона udd. Нейтрон немного тяжелее протона, следовательно d-кварк немного тяжелее u-кварка.

Барионный заряд кварков принят равным 1/3.

Поиск по сайту: