Фундаментальная частица — это бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную.

Спин (что с английского буквально переводится как ‘вращение, вращать’) — это собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого.

Чаще всего спин измеряется в единицах постоянной Дирака и равен произведению данной постоянной и спинового квантового числа:

𝐽 = 𝑗ℏ, где 𝑗 = 0; 1/2; 1; 3/2…

Таким образом, каждая элементарная частица обладает набором дискретных квантовых чисел, которые однозначно определяют её специфические свойства.

В зависимости от присущего типа взаимодействия все элементарные частицы, кроме фотона, делятся на две основные группы: лептоны (от греческого тонкий, лёгкий), которые характеризуют только сильное взаимодействие. И адроны (от греческого большой, сильный), участвующие во всех типах взаимодействий — гравитационном, электромагнитном, сильном и слабом.

Адроны делятся на два класса: с целым спином — мезоны (или бозоны);и с полуцелым спином —фермионы (или барионы).Самыми лёгкими из барионов являются нуклоны. За ними следуют так называемые гипероны. Вся таблица замыкается омега-минус-частицей, открытой в 1964 году. Её масса в 3273 раза больше массы электрона.

В том же году американские учёные Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо друг от друга выдвинули теорию кварков. Кварками они назвали предполагаемые «настоящие элементарные частицы», из которых состоят все адроны. Сначала было предложено три кварка (или три «аромата») — u, d, s, названия которых происходят от английских слов up — вверх, down — вниз и strange — странный.

Затем были обнаружены адроны, для объяснения свойств которых, пришлось предположить существование ещё трёх «ароматов» с, b и t (от английских слов charm — очарование; beauty — прелесть, красота и truth — истина).

Все шесть кварков располагают в виде трёх семейств (дуплетов) аналогично лептонным семействам. Спины у всех кварков полуцелые. У каждого кварка есть свой антикварк, спины которых также полуцелые. Электрические заряды кварков равны одной трети или двум третям элементарного заряда. Барионы состоят из трёх различных кварков, мезоны — из кварка и антикварка.

Кварки в адронах взаимодействуют посредством глюонов, которые не существуют в свободном виде и проявляются только в процессах рождения и уничтожения барионов и мезонов.

При изучении свойств атомов, ядер и элементарных частиц установлен один из фундаментальных законов физики: в системе взаимосвязанных частиц не может находиться два и более фермиона (то есть частиц с полуцелым спином) с тождественными параметрами. Этот закон называется принципом запрета Паули.

Однако в составе многих барионов есть по два, а в некоторых все три одинаковых кварка. Значит, все кварки, из которых состоит барион, должны отличаться каким-то параметром. Этот параметр назвали «цветным зарядом», или просто «цветом». Таких цветов оказалось три: красный, зелёный и синий. Они, естественно, не имеют прямого отношения к оптическому цвету, а лишь условно обозначают существование трёх типов специфических квантовых зарядов у кварков. «Цвета» антикварков соответственно: антикрасный, антисиний и антизелёный.

Оказывается, что, как и в оптике, смешение красного, синего и зелёного цветов в определённой пропорции даёт белый (нейтральный) цвет. Именно поэтому адроны считаются «белыми» или «бесцветными». Нейтрализуют друг друга цвет и антицвет, аналогично дополнительным цветам в оптике. Обмен глюонами между кварками меняет цвет кварка.

В соответствии с действующими в микромире законами сохранения, возникновение частиц происходит только в парах с античастицами. Поэтому все заряженные частицы существуют парами. Это так называемый принцип зарядового сопряжения. Оказалось, что у всех частиц имеются античастицы. Все характеристики частиц и античастиц одинаковы, но заряды (магнитные моменты) противоположны по знаку. Исключение — фотон, пи-ноль-мезон и тау-ноль-мезон — истинно нейтральные частицы, то есть полностью совпадающие со своими античастицами.

При столкновении частицы со своей античастицей (например, при столкновении медленно движущихся электрона и позитрона) они аннигилируют (от латинского «нииль» — ничто), то есть превращаются в какие-либо иные частицы, отличные от исходных:

Возможен и обратный процесс:

В настоящее время сложилась общепринятая теория наиболее общих типов элементарных частиц и их взаимодействий, которая называется стандартной моделью.

Стандартная модель элементарных частиц — теоретическая конструкция в физике элементарных частиц, описывающая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействие всех элементарных частиц.

Согласно стандартной модели существуют два основных вида фундаментальных элементарных частиц: фермионы и бозоны. Фермионы являются элементарными «кирпичиками» окружающего нас вещества, а бозоны — переносчиками взаимодействий между фермионами.

Фундаментальная частица — это бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную.

В настоящее время данный термин применяется для шести лептонов и шести кварков. Все эти частицы являются фермионами с полуцелым спином и естественным образом организуются в три поколения. Вместе с античастицами фермионы составляют набор из 24 фундаментальных частиц в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий).

Между фундаментальными фермионами действуют три типа сил — электромагнитные, слабые и сильные. Кварки участвуют в сильных, слабых и электромагнитных взаимодействиях; заряженные лептоны — в слабых и электромагнитных; нейтрино — только в слабых взаимодействиях. Сильное взаимодействие связывает кварки в адроны — составные частицы, состоящие из кварков в разных комбинациях.

Взаимодействие частиц, имеющих электрический заряд, происходит путём обмена фотонами — квантами электромагнитного поля. Сильное взаимодействие осуществляется за счёт обмена глюо́нами. Переносчиками слабого взаимодействия являются W^±- и Z°-бозоны.

В 1964 году на основании стандартной модели элементарных частиц Питером Хиггсом было предсказано существование поля (называемого Полем Хиггса), которое имеет ненулевую амплитуду в основном состоянии. Массивный квант этого поля был назван бозоном Хиггса.

Бозон Хиггса — это элементарная частица или элементарный бозон, который обладает нулевым спином. В рамках стандартной модели именно бозон Хиггса «отвечает» за наличие инертной массы у элементарных частиц.

Несколько десятков лет понадобилось учёным для того, чтобы подтвердить существование этой частицы. Лишь 4 июля 2012 года появилось сообщение о том, что на обоих основных детекторах Большого адронного коллайдера наблюдалась новая частица. А 14 марта 2013 года пришло подтверждение, что найденная полугодом ранее частица действительно является бозоном Хиггса.

Подтверждение существования бозона Хиггса завершило экспериментальное обнаружение предсказываемых стандартной моделью элементарных частиц.

⇐ Предыдущая 12