Класифікація елементарних частинок

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 18 ФІЗИКА ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

18.4. Класифікація елементарних частинок

Нині відома велика кількість елементарних частинок, які мають різноманітні властивості. Спроби класифікувати їх за деякими загальними ознаками сприятимуть встановленню закономірностей, пов’язаних з будовою і поведінкою частинок, дадуть змогу передбачити ще невідкриті частинки, як це зробив Д. І. Менделєєв для хімічних елементів.

У табл. 18.2 наведено основні відомі елементарні частинки

та їхні характеристики. Якщо в основу класифікації частинок покласти спін, то їх можна розділити на дві групи – ферміони і бозони. Якщо ж в основу класифікації частинок покласти масу, то визначаться чотири групи частинок: фотони, лептони, мезони, баріони.

У табл. 18.2 наведено назви тільки для частинок. Назву відповідної античастинки для баріонів, нейтральних каонів і всіх видів нейтрино утворюють додаванням до назви частинки приставки “анти”. Наприклад, протон – антипротон, електронне нейтрино – електронне антинейтрино. Антиелектрон називають також позитроном. До заряджених піонів

і каонів термін античастинка, як правило, не застосовують. Йдеться про позитивні й негативні піони (каони).

Нині відомо п’ять зарядів, які строго зберігаються: електричний q, баріонний В і три види лептонних зарядів Lе (для ), Lμ (для ) і Lτ (для ). Характерною особливістю всіх цих зарядів є їхнє цілочислове значення. Кожний із зарядів може бути як позитивним, так і негативним.

Фотони, тобто γ-кванти електромагнітного поля, маса яких дорівнює нулю, а спін дорівнює h/(2π), беруть участь лише в електромагнітних взаємодіях.

Лептони. Ще донедавна було відомо чотири лептони: два заряджених (е-, μ-) і два їхні нейтральні супутники (E, Е). Потім було встановлено третій заряджений лептон, якому присвоїли символ τ. Допускається, що τ-лептон також має “власне” нейтрино. Для лептонів властиві малі значення мас. Серед цих частинок найбільшу масу має τ-лептон, найменшу – електронне нейтрино. Лептони беруть участь лише в електромагнітних і слабких взаємодіях. Усі лептони мають півцілий спін і, отже, описуються статистикою Фермі. Серед них є електрично заряджені (електрон, позитрон, мюони) і нейтральні (електронні й мюонні нейтрино й антинейтрино). Вони мають відмінний від нуля лептонний заряд. Баріонний заряд для них дорівнює нулю.

Електрони – це елементарні частинки, які були виявлені першими при вивченні атомної структури речовини. Електрон є носієм найменшої порції електричного заряду. Його заряд е = 1,60 ∙ 10-19 Кл, маса спокою mе =9,11 ∙ 10-31 кг. Електрону властивий власний момент кількості руху – спін, що дорівнює H/(2π). Магнітний момент електрона майже дорівнює магнетону Бора

Знак мінус означає, що магнітний і механічний моменти електрона мають протилежний напрям. Електрони позначаються символом е-. Електрон є стабільною частинкою, яка спонтанно не перетворюється в інші частинки. Поряд з негативними існують позитивні електрони – позитрони, які відносно електронів є античастинками. Позитрон відрізняється від електрона тільки знаком електричного і електронного лептонного зарядів. Абсолютні значення цих зарядів і всі інші характеристики у позитронів і електронів збігаються. Позитрон є частинкою, стабільною у вакуумі, проте в речовині довго не може існувати внаслідок того, що при зіткненні з електроном вони анігілюють, перетворюються в електромагнітне випромінювання (див. підрозділ 17.12).

Мюони. Вперше мюони виявили 1937 р. К. Андерсон і С. Недермейєр у складі космічного випромінювання. Відомо позитивні (μ+) і негативні (μ-) мюони. Електричний заряд мюонів за абсолютним значенням дорівнює заряду електрона. Негативно і позитивно заряджені мюони виступають відповідно як частинка й античастинка. Маса мюонів становить 206,8 електронних мас, спін їх дорівнює Середній час життя нерухомих мюонів τ = 2,15 ∙ 10-6 с.

У 1948 р. Г. Б. Жданов і А. А. Хайдаров установили, що електрони й позитрони, утворені при розпаді мюонів, які майже втратили швидкість, мають широкий спектр енергії. Середня енергія їх становить близько 35 МеВ, що відповідає 1/3 енергії спокою мюона (для електрона mес2 =0,51 МеВ, а для мюона mμ = 206mе і mμс2 =106 МеВ). Це означає, що при розпаді мюона крім легкої зарядженої частинки виникає не одне (як при (β-перетворенні), а два нейтрино. Якщо розпад мюона, що припинився, супроводжувався, як вважали спочатку, випромінюванням одного нейтрино, то при одночасному збереженні енергії 106 МеВ і при однаковості імпульсів двох частинок – електрона і нейтрино – енергія всіх електронів розпаду була б однаковою і дорівнювала 53 МеВ. Викидання двох нейтрино з антипаралельними орієнтаціями спінів забезпечує при розпаді и-мезона збереження спіну

Групи частинок	Частинка	Позначення	Маса m, МеВ	Спін	Ізотонічний Спін І
Частинка	Античастинка
Фотони	Фотон, гамма-квант	γ	γ	0	1	0
Лептони	Електронне нейтрино			0	1/2
Мюонне нейтрино	0	1/2	0
Електрон, позитрон	0,511	1/2	0
Мюон			106	1/2
τ-лептон	1807	1/2
τ-нейтрино	0	1/2
Мезони	Заряджений піон	η	η	140	0	1
Нейтральний піон	135	0	1
Заряджений каон	494	0	1/2
Нейтральний каон	498	0	1/2
Етон	η-мезон	549	0	0
Баріони
Нуклони	Протон	938,2	1/2	1/2
Нейтрон	939,2	1/2	1/2
Гіперони	Ламда-гіперон	1116	1/2	0
Сигма-плюс-гіперон	1189	1/2	1
Сигма-нуль-гіперон	1192	1/2	1
Сигма-мінус-гіперон	1197	1/2	1
Каскадні	Ксі-нуль-гіперон			1315	1/2	1/2
Гіперони	Ксі-мінус-гіперон	1321	1/2	1/2
Омега-мінус-гіперон	1672	3/2	0

Вимірювання показали, що середній час життя нерухомих мезонів збігається з розрахованим.

Таблиця 18.2

Дивність S	Заряд	Середній час життя τ, с	Превалююча схема розпаду
Електричний	Баріонний	Лептонний
0	0	0	0	Стабільний
0	0	±1	Те саме
0	±1	0	±1	-“-
0	±1	0	±1	-“-
±1	0	±1	2,2 ∙ 10-6
±1	0	±1	Нестабільний
0	0	±1	Стабільний
0	±1	0	0
0	0	0	0
±1	±1	0	0
±1	0	0	0
0	0	0	0
0	±1	±1	0	Стабільний
0	0	±1	0
±1	0	±1	0
		±1	0
	0	±1	0
		±1	0
	0	±1	0
		±1	0
			0

Нині встановлено, що нейтрино і антинейтрино, які випромінюються разом з позитронами і електронами, відрізняються від нейтрино і антинейтрино, що випромінюються разом з мюонами. У зв’язку з цим, як зазначалося, розрізняють електронне і мюонне нейтрино і антинейтрино. Виходячи із закону збереження електронного лептонного заряду, схему розпаду μ±-мезонів (18.2) слід переписати так:

Якби швидкорухомі мюони мали той самий середній час життя, який спостерігається для нерухомих (що зупинились) мюонів, то середній пробіг мюонів у атмосфері при їхній швидкості, близькій до швидкості світла, не перевищував би 600 м її Насправді пробіг мюонів у атмосфері в багато разів більший. Це пояснюється збільшенням тривалості всіх періодичних процесів (сповільненням часу) при русі з великими швидкостями, як це випливає з теорії відносності. Відповідно збільшується і середній час життя будь-якої нестабільної частинки, коли її швидкість наближається до швидкості світла.

Енергія швидких мюонів у космічному випромінюванні становить близько 3000 МеВ, тоді як енергія мюона – 100 МеВ. При такій енергії середній час життя мюона виявляється в 30 разів більшим, ніж середній час життя нерухомого мюона, і становить 6 ∙ 10-5 с. У зв’язку з цим середній пробіг мюонів у атмосфері дорівнює 18 км При такій довжині пробігу слід чекати, що на шляху в 1 км розпадатиметься близько 5 % мюонів. Цей розрахунок підтверджується вимірюванням інтенсивності жорсткої компоненти космічного випромінювання і порівнянням числа швидких мюонів у стратосфері з їхнім числом на рівні моря.

Особливий інтерес становить електронне (νе) і мюонне (νμ) нейтрино, які мають надзвичайно велику проникну здатність. Вони характеризуються півцілим спіном і нульовою масою. Останнім часом завдяки експериментам зроблено припущення про наявність у нейтрино маси.

Наведемо приклади реакцій, в яких випромінюється нейтрино:

Де νе – електронне нейтрино; νμ – мюонне нейтрино. Антинейтрино () народжується в реакціях β-розпаду природних радіоактивних речовин і в реакціях розпаду мезонів за такою схемою:

Де Е – електронне антинейтрино; μ – мюонне антинейтрино. Спін обох видів нейтрино νе і νμ напрямлений в бік, протилежний напряму швидкості (імпульсу), спін антинейтрино Е і μ збігається зі швидкістю їхнього руху.

Мезони – частинки з масою, проміжною між масами лептонів і масами більш масивних частинок – баріонів, належать до наступного класу. Вони беруть участь у всіх трьох видах взаємодії, при цьому сильна взаємодія превалює. Від класу баріонів вони відрізняються відсутністю баріонного заряду, від класу лептонів – відсутністю лептонного заряду. Мезони мають нульовий спін. Вони бувають електрично зарядженими й нейтральними, дивними і звичайними, характеризуються цілим і півцілим ізотопічними спінами. До групи мезонів належать піони (π-мезони), каони (K-мезони), етон (η-мезон). Мезони, як електрони або протони, існують у двох видах частинок і античастинок.

Існування й нестабільність мезонів були передбачені до їх відкриття квантово-механічною теорією внутрішньоядерних сил, запропонованою японським фізиком X. Юкавою (1935 р.). У теорії Юкави передбачалось, що: 1) мезони можуть мати заряд електрона або позитрона; 2) їхня маса в 200-300 разів більша від маси електрона; 3) мезони нестабільні і мають спонтанно розпадатись на електрон (чи позитрон) і нейтрино; 4) середній час життя мезона становить мільйонну частку секунди.

Деякий час фізики ототожнювали мюони з частинками, передбаченими теорією X. Юкави. Проте вивчення їхніх властивостей показало, що у мюонів немає основної властивості частинок Юкави: вони, на відміну від частинок Юкави, ядерно неактивні.

Аналогом частинок Юкави виявилися π±-мезони (піони), які також мають заряд електрона (π–мезони) або позитрона (π+-мезони). Спін їх дорівнює нулю. Маса π-мезонів приблизно в 4/3 раза більша від маси мюонів mπ± =273,2mе.

Заряджені π-мезони були відкриті в космічному випромінюванні 1947 р., а 1949 р. їх було одержано в лабораторних умовах (на прискорювачі в Берклі) при зіткненні швидких протонів з протонами і нейтронами:

У 1950 р. було відкрито π-мезони, що не мають заряду, нейтральні π0-мезони, які інколи називають нейтретто. їхня маса трохи менша від маси заряджених π-мезонів: як і заряджені π-мезони, π°-мезони мають нульовий спін. (Існування нейтральних μ-мезонів не виявлено.) Як і μ-мезони, π-мезони є нестабільними частинками і спонтанно розпадаються з дуже малим середнім часом життя. Відповідні вимірювання показали, що середній час життя заряджених π+-мезонів однаковий і становить 2,6 ∙ 10-8 с, тобто на два порядки менший, ніж у μ-мезонів. Саме цим пояснюється той факт, що у космічному випромінюванні на рівні моря число π-мезонів набагато менше від числа μ-мезонів. Заряджені π-мезони розпадаються за такою схемою:

Отже, внаслідок розпаду π+-мезонів утворюються μ±-мезони і мюонне нейтрино (або антинейтрино).

Середній час життя π°-мезона становить 0,76 ∙ 10-16 с. Нейтральний π°-мезон розпадається на два фотони:

γ-кванти високої енергії, що виникають при цьому, дають початок каскадному утворенню електронно-позитронних пар.

На відміну від μ-мезонів π-мезони сильно взаємодіють з атомними ядрами і, проникаючи в них, спричинюють ядерні перетворення. Особливе значення для фізики ядра має можливий віртуальний обмін зарядженими π-мезонами між різнорідними нуклонами і нейтральними π°-мезонами між однорідними нуклонами всередині ядра. Виходячи з ідей, які висловили ще 1934 р. І. Є. Тамм, Д. Д. Іваненко, X. Юкава, вважають, що, подібно до фотонів електромагнітного поля, π-мезони зі спіном, який дорівнює нулю, випромінюються і поглинаються нуклонами і є квантами ядерного (мезонного) поля:

Поглинання цих мезонів іншими нуклонами приводить до сильної взаємодії між ними, яка реалізується по одній із таких схем:

До групи мезонів належать також K-мезони. Як і π-мезонам, К-мезонам властивий нульовий спін. Маса їх більша за масу π-мезонів і становить 966,3mе для заряджених K+-мезонів і 974,5mе для нейтральних K-мезонів (К°) і анти-ка-нуль-мезонів (0). K-мезон має елементарний позитивний заряд, а K–мезон – елементарний негативний заряд. Залежно від типу K-мезонів середній час життя змінюється від 10-8 до 10-10 с. Існує кілька схем розпаду K-мезонів. Так, у випадку K-мезона можливі такі види розпадів:

Як зазначалось, π-мезони можуть бути утворені при ядерних реакціях із частинками високих енергій в потужних прискорювачах; μ-мезони утворюються в результаті перетворення π- і K-мезонів. K-мезони народжуються з великою інтенсивністю при зіткненнях мезонів або протонів високої енергії з нуклонами. Якщо один із видів частинок, наприклад негативні мезони, назвати частинками, то позитивні мезони будуть античастинками. Можна прийняти і протилежне позначення.

Баріони – масивні елементарні частинки. Вони складаються з двох підгруп – нуклонів і гіперонів. Для них баріонний заряд відмінний від нуля, лептонний заряд дорівнює нулю, вони характеризуються півцілим спіном і є ферміонами. З мезонами їх об’єднує здатність брати участь у сильній взаємодії, внаслідок чого мезони і баріони об’єднують в групу адронів. Адронами називають усі сильно взаємодіючі частинки.

Нуклони. До нуклонів належать протон (р), антипротон (), нейтрон (n) і антинейтрон ().

Протон має масу, що дорівнює 1836,5 електронним масам, тобто mр = 1,672 ∙ 10-27 кг. Позитивний заряд протона за абсолютним значенням дорівнює заряду електрона, тобто qp =

=1,60 ∙ 10-19 Кл. Спін протона дорівнює , магнітний момент μp =2,7929μя, де

Протон є однією з найзручніших частинок для прискорення в прискорювачах та використання для ядерних реакцій. Для протона прийнято такі позначення: 11Н або р.

Протон – стабільна частинка. Проте, як показують теоретичні розрахунки, час життя його менший за 1032 років. Експериментально розпад протона не зафіксовано.

Існування антипротона було передбачено теорією Дірака, але експериментальне відкриття його стало можливим тільки через чверть століття після відповідного розвитку техніки прискорювачів заряджених частинок. Він був відкритий наприкінці 1955 р. групою фізиків у складі Е. Сегре, О. Чемберлена та інших при бомбардуванні мідної мішені протонами, прискореними в бетатроні Каліфорнійського університету до енергії 6,3 БеВ.

Антипротон має масу, що дорівнює масі протона, і заряд, однаковий за значенням і знаком з електроном. Спін антипротона дорівнює Магнітний момент однаковий за значенням з магнітним моментом протона, але має від’ємний знак, тобто напрямлений протилежно спіну. Отже, μ =2,7929μя. Антипротон позначають символом .

Протон і антипротон, подібно до електрона і позитрона, утворюють систему частинка – античастинка. Якщо в системі електрон – позитрон позитивно заряджена частинка після проходження через речовину швидко анігілює, то в парі частинок протон – антипротон стабільною є саме позитивна частинка – протон. Антипротон, хоч і стабільний у вакуумі, проте в речовині швидко анігілює з протоном, утворюючи π- і K-мезони і рідше жорсткі γ-фотони. Отже, поряд з електронно-позитронним вакуумом має існувати протонно-антипротонний вакуум. Антипротон відносно протона є античастинкою. Протон є однією з найважливіших складових частинок складних ядер і сам становить ядро атома гідрогену. Разом з електроном протон утворює нейтральний атом гідрогену. Можна уявити собі обернену систему, тобто систему антипротон – позитрон, яка буде за всіма властивостями (оптичними, хімічними, магнітними та ін.) аналогічна атомам гідрогену. Це буде антиатом гідрогену.

Елементарна частинка нейтрон має масу майже однакову з масою протона, але не має електричного заряду. Внаслідок цього нейтрону властива велика проникна здатність, оскільки він під час руху в речовині не витрачає енергію на йонізацію, випромінювання тощо. Крім того, через відсутність кулонівського відштовхування нейтрони дуже легко проникають в атомні ядра і тому є дуже ефективними частинками, які спричинюють ядерні реакції з усіма ядрами атомів. Маса нейтрона дорівнює 1838,6 електронним масам, а електричний заряд – нулю. Спін нейтрона дорівнює , а магнітний момент нейтрона μn =-1,9131μя. Позначають нейтрон символом n: інколи 1n або 10n. Це вказує на те, що його масове число – одиниця, а заряд дорівнює нулю. Нейтрон є нестабільною елементарною частинкою і після його звільнення з атомного ядра через деякий час розпадається. Період піврозпаду нейтрона 16,9 хв. Він розпадається за такою схемою:

Де Е – електронне антинейтрино.

Античастинкою відносно нейтрона є антинейтрон. Це елементарна частинка з тією самою масою, як і нейтрон, із зарядом, що дорівнює нулю, і спіном Магнітний момент антинейтрона дорівнює за абсолютним значенням магнітному моменту нейтрона, проте протилежний йому за знаком. Антинейтрон позначають символом . Уперше антинейтрони виявили (1956 р.) американські фізики Б. Корк, Г. Ламбертсон, О. Піччоні, В. Вензель, які спостерігали антинейтрони, що виникли в результаті перезарядження антипротонів, при русі їх через речовину. Реакція перезарядження полягає в обміні зарядами між нуклоном і антинуклоном за такою схемою:

Вихід цих реакцій дуже невеликий, однак все ж вдається спостерігати виникнення антинейтронів. Відкриття антинейтронів поряд з відкриттям антипротонів є блискучим підтвердженням сучасної теорії елементарних частинок.

Дослідження космічного випромінювання методом фотоемульсій, а також з камерами Вільсона спеціальних конструкцій привели до відкриття важких нестабільних частинок, які названо гіперонами. Маса гіперонів більша від маси нуклонів (протонів і нейтронів), але менша від маси дейтронів. Нуклони і гіперони належать до групи баріонів, тобто важких частинок. їх позначають великими літерами грецького алфавіту. Існують нейтральні й заряджені гіперони, спін їх дорівнює

При деяких зіткненнях піона з нуклоном піон зникав, а замість нього народжувався новий мезон, який назвали K-мезоном, або каоном. Нуклон при цьому перетворювався в нову частинку. Ця нова частинка, як і нуклон, була баріоном. Час життя її був близько 10-10 с. Якщо вона розпадалась, то з’являвся піон і нуклон і все поверталось у вихідний стан, тільки з “додачею” K-мезона. Порівняно з ядерним часом тривалість життя 10-10 с досить велика, і нові баріони з цієї точки зору можна розглядати як стабільні.

Гіперони народжуються при зіткненні піонів високої енергії з нуклонами. При цьому утворюються, зокрема, λ°-гіперони з масою 2182,75mе, два різних сигма-гіперони з майже однаковими масами (Σ+ з масою 2327,6mе і Σ- з масою 2342,6mе), а також нейтральний сигма-гіперон (Σ°). Час життя його 10-14с або менший. Маса Σ°-гіперона близька до маси Σ+- і Σ–гіперонів і дорівнює 2333,4mе. Крім Σ- і Λ-гіперонів було виявлено й інші гіперони. Незвичними здалися фізикам два ксі-гіперони і , які розпадались так:

По-перше, незвичним було те, що ксі-гіперони не розпадались відразу на нуклони, а обов’язково спочатку перетворювались в ламбда-гіперон. По-друге, у ксі-гіперона не виявилось позитивно зарядженого антипода. Ксі-гіперони були схожі на пару нуклонів, а не на три сигма-гіперони. Маси їх близькі 2584,7me у і 2572me. у . Незвичною була також поява ксі-гіперонів. Вони народжувались у супроводі двох каонів, наприклад так:

Останній представник гіперонів, який привернув до себе увагу, це Ω- (омега-мінус-гіперон), маса якого дорівнює 3278mе, час життя – 1,3 ∙ 10-10 с. Утворюється він також при зіткненні піона з нуклоном, але в супроводі трьох каонів:

Вперше Ω–гіперон виявлено на Брукхейвенському синхротроні 1964 р. при здійсненні реакції:

При цьому було одержано 300 тис. знімків і лише на восьми з них виявлено сліди Ω–гіперонів. На цих самих знімках було зафіксовано і розпад Ω–гіперонів. Ω–гіперон випромінює піон π- і перетворюється в -гіперон. Ксі-нуль-гіперон, у свою чергу, розпадається на λ°-гіперон і нейтральний піон. Нейтральний піон, як ми знаємо, перетворюється на два фотони, кожний з яких народжує пару електрон – позитрон. λ°-гіперон перетворюється в протон і негативний піон.

Отже, гіперони беруть свій початок від нуклонів. Нуклони є також кінцевими продуктами їхнього розпаду. Саме це дає змогу розглядати гіперони як збуджені нуклони. На користь такої думки свідчить і той факт, що гіперони здатні заміняти нуклони в атомних ядрах, унаслідок чого виникають нестабільні гіперядра.