Элементарные частицы: какие бывают

Открытие «невидимых» элементарных частиц послужило отправной точкой для современной физики. Дальнейшие исследования позволили совершить поразительные прорывы, например, подтвердить существование бозона Хиггса. Чтобы правильно понять наш современный взгляд на мир, необходимо знать о лептонах, кварках и бозонах.

Физика элементарных частиц берет свое начало в ядерной физике, где она была первоначально изучена и задокументирована. Однако к середине 1920-х годов она стала независимым отделом внутри самой физики. Эти два направления связаны между собой в плане исследуемых явлений и используемых методов анализа — хотя между ними есть и некоторые различия.

Основным направлением физики элементарных частиц является изучение природы, характеристик и превращений между различными элементарными частицами.

Что такое элементарные частицы

В настоящее время известно около 400 субатомных или элементарных частиц, многие из которых нестабильны и со временем образуют другие частицы, за исключением фотонов, электронов, нейтрино и протонов. Вопреки тому, что можно подумать на первый взгляд, эти частицы не существуют как физические объекты, а скорее представляют собой модели, используемые для описания различных типов взаимодействий и свойств, связанных с материей.

Фермионы

Фермионы состоят из двенадцати обычных частиц и такого же количества их противоположностей. Они несут обратный заряд, например, античастицей отрицательно заряженного электрона является положительно заряженный позитрон.

Ядро и электронная оболочка составляют атомы. Последняя охватывает ядро, как облако, а внутри нее сосредоточено более 99% его массы. Электроны во внешней оболочке являются элементарными частицами. Напротив, протоны и нейтроны внутри составляют нуклоны — вместе они называются нуклонами.

Протоны заряжены положительно, чтобы уравновесить электроны из внешней оболочки, а нейтроны не имеют заряда и связывают ядро, чтобы избежать его распада (как это наблюдается у радиоактивных элементов). Считалось, что протоны и нейтроны неделимы, но они слишком велики, чтобы быть элементарными частицами. В отличие от электронов, кварки не могут существовать самостоятельно и объединяются в пары, называемые мезонами, которые движутся вокруг протонов и нейтронов, сохраняя стабильность ядра. Три кварка объединяются, образуя нуклон, т. е. протон или нейтрон соответственно.

Синглетоны, иначе называемые лептонами, представляют собой разительный контраст с кварками. В то время как кварки не могут существовать самостоятельно, лептоны способны существовать сами по себе. Когда две частицы одного вида вступают в контакт друг с другом — либо через физический контакт, либо посредством частицы и ее античастицы — они быстро распадаются и выделяют энергию.

Частица Нейтрино — один из таких типов лептонов, который изучается примерно с 1950-х годов. Эти неуловимые сущности пересекают пространство со скоростью света и вдохновили множество исследовательских проектов, пытающихся понять их лучше. К сожалению, попытки установить связь с нейтрино до сих пор не увенчались успехом. Их можно использовать для определения различных процессов, происходящих в ядрах звезд. Существует три основных типа нейтринных частиц: электронное, мюонное и тау-нейтрино; все они названы в честь элементов, находящихся за пределами нашего мира.

Бозоны

Разница между фермионами и бозонами основана на квантовой характеристике, известной как спин. Фермионы обладают дробным спином, что означает, что частице требуется более одного оборота, чтобы стать неотличимой от своей первоначальной формы при вращении в пространстве. Эта особенность влияет на обменную связь фундаментальных частиц, позволяя двум одинаково заряженным частицам вступать в тесный контакт и при этом соблюдать законы классической механики, диктующие отталкивание. Бозоны не делятся на категории; в стандартной модели существует всего пять типов: фотон, w-бозон, z-бозон, глюон и бозон Хиггса. Фотон отвечает за передачу электромагнитных стимулов, таких как свет различной длины волны. W- и z-бозоны могут изменять электрический заряд на заданной цели или превращать один тип кварков в другой, в то время как z-бозоны обмениваются импульсом и спином при столкновении с другой частицей. О бозоне Хиггса только теоретизировали до 2012 года, когда он был успешно обнаружен на большом адронном коллайдере (БАК). Его исключительная роль заключается в том, что он определяет массу всех элементарных частиц, а его открытие завершило стандартную модель.

Основные взаимодействия

Временные и энергетические масштабы процессов с участием различных элементарных частиц кардинально отличаются. Согласно современным теориям, в мире существуют четыре фундаментальные силы: сильная, электромагнитная, слабая и гравитационная. Тем не менее, уже сейчас мы постигаем лишь 0,1% Вселенной. По мере развития науки она становится все более сложной, что может одновременно пугать и восхищать. Надеемся, что скоро с помощью пытливых умов нам удастся создать единую теорию, которая, наконец, объяснит все загадки, составляющие наш мир.