Классификация элементарных частиц
В многообразии элементарных частиц, известных к настоящему времени, обнаруживается более или менее стройная система классификации (рис.2).
Так, элементарные частицы, различающиеся по своим свойствам и характеру взаимодействия, принято делить на две большие группы:
фермионы - частицы с полуцелым спином (карки, электрон, протон, нейтрон, нейтрино);
и бозоны - частицы с целым спином (фотон, глюон, мезоны) (рис.1).
Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.
Между частицами существует четыре типа взаимодействия, каждое из которых переносится своим типом бозонов.
Фотон, или квант света переносит электромагнитное взаимодействие.
Глюоны осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки.
Векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц.
Рисунок - 1 Элементарные частицы
По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на:
- составные частицы:
адроны - частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Общее число около четырехсот. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
мезоны - являются частицами с целочисленным спином (нулевым). Такие частицы называют бозонами;
барионы - адроны с полуцелым спином (фермионы) и массами не меньше массы протона. За исключением протона все нестабильны.
- фундаментальные частицы - бесструктурная элементарная частица, которую до настоящего времени не удалось описать как составную. В настоящее время термин применяется преимущественно для лептонов и кварков (по 6 частиц каждого рода, вместе с античастицами, составляют набор из 24 фундаментальных частиц) в совокупности с калибровочными бозонами (частицами-переносчиками фундаментальных взаимодействий):
лептоны - фермионы, которые имеют вид точечных частиц (т.е. не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
кварки - дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента).
Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела ученых на мысль, что все они построены из каких-то других более фундаментальных частиц. В 1964 г. американским физиком М. Гелл-Маном была выдвинута гипотеза, подтвержденная последующими исследованиями, что все тяжелые фундаментальные частицы - адроны - построены из более фундаментальных частиц, названных кварками. На основе кварковой гипотезы не только была понята структура уже известных адронов, но и предсказано существование новых.
Теория Гелл-Мана предполагала существование трех кварков и трех антикварков, соединяющихся между собой в различных комбинациях. Так, каждый барион состоит из трех кварков. Антибарион строится из трех антикварков. Мезоны состоят из пар кварк-антикварк.
Как и лептоны, кварки делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
калибровочные бозоны - частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
фотон - частица, переносящая электромагнитное взаимодействие. Не обладают массой, тем не менее могут переносить энергию и импульс;
восемь глюонов - частиц, переносящих сильное взаимодействие;