Элементарные частицы и фундаментальные взаимодействия

В настоящее время известны четыре фундаментальных взаимодействия

Тип взаимодействия	Переносчик взаимодействия	Относительный параметр «силы» взаимодействия	Радиус взаимодействия, м
Сильное	глюон, g	~	10-15
Электромагнитное	фотон,
Слабое	промежуточный бозон,	~10-8	10-18
Гравитационное	гравитон	~10-15

и три класса элементарных частиц:

адроны – частицы участвующие в сильных взаимодействиях,

лептоны – частицы не участвующие в сильном взаимодействии,

фундаментальные бозоны – частицы переносчики взаимодействия.

В электромагнитном взаимодействии участвуют все частицы, обладающие электрическим зарядом, а в гравитационном – частицы обладающие массой.

Адроны, кварки, глюоны

В настоящее время общепринято, что все адроны (открыто более 400 адронов) состоят из фундаментальных частиц называемых кварками. Спин всех кварков равен 1/2. Самое необычное свойство кварков – их дробный электрический заряд. Кварки, заряд которых (в единицах элементарного заряда) равен +2/3 называют верхними (от английского up). Кварки с зарядом – 1/3 называют нижними (от down). Кварки являются источниками глюонных полей, которые и осуществляют сильное взаимодействие. Особенностью этого взаимодействия является то, что глюоны сами могут испускать и поглощать глюоны и испытывать сильное взаимодействие друг с другом. Это приводит к тому, что взаимодействие кварков возрастает с расстоянием, и для разделения кварков потребовалась бы бесконечно большая энергия. Все попытки обнаружить свободные кварки или выбить их из адронов оказались неудачными, хотя само существование кварков внутри адронов подтверждено экспериментально.

Все адроны делятся на барионы состоящие из 3 кварков (адроны с полуцелым спином ( фермионы)) и мезонысостоящие из кварка и антикварка (адроны с целым спином (бозоны)). Ниже в таблице приведена кварковая структура протона и нейтрона, а также - мезонов.

Частица	Электрический заряд	спин	кварковая структура	барионный заряд
u	+2/3	1/2		1/3
d	-1/3	1/2		1/3
p	+1	1/2	(u,u,d)	1
n	0	1/2	(u,d,d)	1
	1	0	( , )	0
	0	0	)	0
	-1	0	( )	0

Лептоны.

Существуют три пары лептонов: электрон и электронное нейтрино , мюон и мюонное нейтрино , тау-лептон и тау-нейтрино . Спин всех лептонов равен 1/2 . У каждого заряженного лептона есть античастица. Мюон и тау-лептон нестабильны. Каждый заряженный лептон участвует в слабых взаимодействиях в паре со своим нейтрино.

лептоны	спин	заряд	Лептонный заряд	Время жизни, с	Схема распада
	1/2 1/2	-1 +1	+1 -1
	1/2 1/2	0 0	+1 -1
	1/2 1/2	-1 +1	+1 -1
	1/2 1/2	0 0	+1 -1
	1/2 1/2	-1 +1	+1 -1
	1/2 1/2	0 0	+1 -1

Лептоны и кварки образуют класс фундаментальных частиц (фермионов) из которых «сделаны» все остальные частицы. Особую роль играют u,d кварки, электроны и электронное нейтрино из которых составлены нуклоны и атомы и которые определяют ход наблюдаемых в природе процессов. Остальные нуклоны и кварки получают искусственно в мощных ускорителях.

Слабое взаимодействиеосуществляется за счет испускания и поглощения промежуточных бозонов W (W⁺, W^-,Z⁰). Если заряженный лептон испускает заряженный промежуточный бозон, он превращается в соответствующее нейтрино (и наоборот, нейтрино испуская заряженный промежуточный бозон превращается в соответствующий заряженный лептон. Универсальность слабых взаимодействий проявляется в том, что промежуточные бозоны испускаются и поглощаются не только лептонами, но и кварками. При этом верхний кварк u превращается в нижний d и наоборот. Все процессы слабого взаимодействия происходят в области пространства размером 10^-18м, т.е. являются точечными даже по ядерным масштабам.

Например, физика бета-распада ядер сводится к распаду d- кварка, входящего в состав нейтрона в u-кварк с испусканием промежуточного W⁺ бозона, который затем превращается в электрон-мюонную пару: .

Слабое взаимодействие наряду с гравитационным является самым универсальным из всех фундаментальных взаимодействий, но является определяющим только при отсутствии других взаимодействий.

Поиск по сайту: