Фундаментальные взаимодействия и частицы

Фундаментальные взаимодействия

При попытках объяснить все разнообразные превращения элементарных частиц был открыт новый вид взаимодействия, которое назвали слабым. Оно, действительно, гораздо слабее сильного взаимодействия и действует на еще более малом расстоянии: если радиус действия сильного взаимодействия около 2 ферми (чуть больше размера протона), то слабого — в тысячу раз меньше. Именно слабое взаимодействие ответственно за превращения нейтрона и протона друг в друга, которые происходят при бета-распадах ядер.

 

Итак, все процессы в микромире управляются тремя фундаментальными взаимодействиями:

 

 

Гравитационное же (четвертое) взаимодействие между элементарными частицами несоизмеримо слабее, так что о нем в микромире можно попросту забыть.

 

Все эти взаимодействия осуществляются посредством особых частиц-переносчиков — подобно тому, как это происходит при взаимодействии нуклонов в ядре, согласно модели Юкавы. Про переносчиков фундаментальных взаимодействий у нас будет потом особый разговор, а сейчас поговорим о частицах-участниках, между которыми и могут происходить взаимодействия.

 

Слабое взаимодействие — самое универсальное: в нем участвуют абсолютно все частицы, в отличие от сильного.

 

Фундаментальные частицы

Те элементарные частицы, которые участвуют в сильном взаимодействии, назвали адронами (от греческого «адрос» — сильный). Таких частиц около 400 видов. Оставшиеся немногие частицы (их 6 видов, и столько же античастиц), назвали лептонами (от греческого «лептос» — легкий), потому что первые из открытых лептонов — электрон и нейтрино — и в самом деле гораздо легче адронов.

 

Можно ли как-то «прощупать» частицы, чтобы определить их размеры и наличие (или отсутствие) внутренней структуры? Для этого применили по сути тот же метод, что в своё время использовал Резерфорд для «прощупывания» атома. Только вместо альфа-частиц в качестве снарядов служили самые быстрые электроны, которые были разогнаны на ускорителе. Чем быстрее электроны, тем меньше их дебройлевская длина волны и тем более мелкие детали они способны обнаружить.

 

Оказалось, что все адроны имеют сложную внутреннюю структуру.

 

А вот лептоны не имеют внутренней структуры, и размеры их неопределимо малы (в Стандартной модели считается, что они вообще не имеют собственного размера). Лептонам присвоен статус фундаментальных частиц.

 

Множество адронов, в свою очередь, делятся на две группы:

 

  • мезоны с целым спином
  • барионы с полуцелым

 

Мезоны (от греческого «мезос» — средний) по массе меньше барионов (от греч. «барос» — тяжёлый).

 

Среди барионов как особые подклассы выделяют нуклоны (они самые долгоживущие и самые «полезные» из всех адронов) и гипероны (сверхтяжелые).

 

Представим классификацию всех частиц-участников в виде схемы:

 

Классификация фундаментальных частиц в виде схемы

 

Обсудим адроны и лептоны подробнее.