1. Классификация

Под элементарными частицами подразумеваются объекты, из которых на современном уровне эксперимента не выделены какие-либо более простые и самостоятельно регистрируемые сущности. Такое определение позволяет включить в число элементарных частиц все объекты, реально интересующие физику высоких энергий, не ограничиваясь теми, которые пока считаются бесструктурными (фотон, лептоны, кварки, глюоны). Первая элементарная частица (электрон) была открыта в 1897 г. английским физиком Дж. Дж. Томсоном, и несколько сотен аналогичных частиц, обнаруженных с тех пор, можно назвать «кирпичиками мироздания» — похоже, что из них построено все вещество наблюдаемой Вселенной. Неуверенность, что это вещество построено только из них, и подозрение, что они сами выстроены из чего-то более простого и фундаментального, исключительно сильно стимулируют исследовательскую активность.

Элементарные частицы характеризуются рядом параметров — таких, как масса, собственный момент количества движения (спин), заряды, с помощью которых обычно описывается взаимодействие и (или) законы сохранения[205]. Если частица нестабильна, то есть самопроизвольно распадается в вакууме, то по известным схемам распада вычисляют ее время жизни, и оно должно полностью выражаться через фундаментальный набор констант.

Собственный момент количества движения (спин) всегда дается в единицах постоянной Планка ћ. Частицы, чей спин выражается в целых значениях ћ (0, ћ, 2ћ  и т. д.), называют бозонами (в честь индийского физика Шатьендраната Бозе), а в полуцелых (ћ/2, 3ћ/2 и т. д.) — фермионами (в честь итальянского физика Энрико Ферми).

Электрический заряд всегда задают в единицах заряда электрона, а для описания электромагнитных взаимодействий удобна безразмерная величина ? = e²/ ћc » 1/137, так называемая постоянная тонкой структуры Аналогичные константы для описания сильных взаимодействий в 100 — 1000 раз больше. Для слабого взаимодействия вводится универсальная постоянная Ферми G_F » 10^-5. ћ³/m_p²c.

Аналогом постоянной тонкой структуры в гравитационных взаимодействиях служит квадрат отношения массы элементарной частицы к планковской массе (?_гр = Gm²/ ћc = ? (m/m_P)²). Некоторым частицам приписывают заряды, не имеющие динамического смысла, необходимые лишь для того, чтобы характеризовать сохранение частиц определенного сорта в реакциях. Так вводят, например, барионный заряд, полагая, что в любой реакции разность между числом барионов и антибарионов постоянна.

Калибровочные бозоны[206] — частицы со спином единица, переносчики электрослабого взаимодействия. В это семейство входят фотон (от греч. pћotos — частица света) — безмассовый квант электромагнитного поля (экспериментальное ограничение m? меньше 3.10^–33 МэВ) и открытые совсем недавно промежуточные бозоны — два заряженных W⁺ и W^- (m_w = 80,6 +- 0,4 ГэВ) и один нейтральный Z0 (mZ = 91,161 +- 0,031 ГэВ). Фотон стабилен. W- и Z-бозоны, самые тяжелые из известных частиц, распадаются на лептон-антилептонные пары, однако их времена жизни оцениваются пока весьма приближенно ? ~ (2? 3) 10^–25 с).

Лептоны (от греч. leptos — легкий, мелкий) — к этому семейству частиц относятся электрон (е^-), мюон (?^-), ?-лептон (?^-) и три типа нейтрино — электронное (?_e), мюонное (?_?) и ?-нейтрино (?_?), а также соответствующие античастицы — позитрон (е⁺), антимюон (?⁺), анти-? (?⁺) и три типа антинейтрино (?_e, ?_?,?_?). Все они — фермионы со спином 1/2. Характерное свойство лептонов — отсутствие собственной структуры, в рамках современных экспериментальных данных их рассматривают как точечные частицы, которые не способны напрямую участвовать в сильных взаимодействиях. Массы и времена жизни лептонов указаны в таблице (у соответствующих антилептонов те же параметры):

Таблица лептонов

В экспериментах московской группы из Института теоретической и экспериментальной физики по уточнению спектра ?-распада (n " p + e^-+?_e) было получено нижнее ограничение на массу электронного нейтрино (14 эВ меньше m?e меньше 46 эВ), что эквивалентно доказательству наличия у нейтрино ненулевой собственной массы. Пока этот результат не подтвержден достаточным объемом независимых данных. Природа процессов, приводящих к огромному расщеплению масс е — ? — ? пока не выявлена, и поэтому неясно, могут ли существовать недоступные современному эксперименту новые члены лептонного семейства.

Кварки (от англ. quark — образ таинственного духа, заимствованный из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану») — особые фермионы, существующие внутри адронов, но пока никогда не наблюдавшиеся в свободном виде. Несмотря на это, кварки считаются экспериментально обнаруженными объектами, например, очень быстрые электроны сталкиваются с ними, пролетая сквозь адрон. Для описания современных данных, связанных с адронами, вводят пять типов кварков — так называемых ароматов: u (верхний, от англ. up), d (нижний, от англ. down), с (очарованный, от англ. cћarm), s (странный, от англ. strange), b (прелестный от англ. beauty, или низший от англ. bottom), кроме того, есть серьезные теоретические основания дополнить их шестым t кварком (высшим от англ. top). Это устанавливает очень полезную симметрию между кварками и лептонами, которую можно задать классификацией обоих семейств по поколениям. В первое поколение входят ?_e и е и, соответственно, u- и d-кварки, во второе — ?_? и ? вместе с с- и s-кварками, в третье — ?_? и ? вместе с t- и b-кварками. Электрические заряды кварков выражаются в долях заряда электрона (+ 2/3 у u, с, t и -1/3 у d, s, b; для антикварков заряды имеют противоположные знаки). Но кроме аромата кваркам необходимо приписать особое зарядовое свойство, обычно именуемое цветом[207]. Каждый кварк существует в одном из 3-х цветовых состояний (например, желтом, синем или красном). Таким образом, кварков 18 (столько же антикварков), и в каждом лептон-кварковом поколении содержится по 8 частиц.

Данная схема позволяет полностью классифицировать все известные адроны по определенному кварковому составу. Например, считают, что протон состоит из двух u- и одного d-кварка, причем его полный электрический заряд единица (+2/3 + 2/3 -1/3 = +1). Нейтрон представляется комбинацией udd (+2/3 1/3 — 1/3 = 0),? — гиперон — uds, мезоны — комбинацией кварка и антикварка (?⁺ = ud, K⁺ = us, D⁺ = cd, F⁺ = cs, ? = сс, ? = bb и т. п.). Очень важно, что цвета кварков подбираются таким образом, что все наблюдаемые адроны оказываются цветонейтральными или белыми (пользуясь аналогией в смысле смешения трех чистых цветов). В этом плане цветовой заряд похож на электрический, скажем, нейтральный атом водорода можно считать смесью чистого отрицательного (электрон) и положительного (протон) электрических зарядов.

Массы кварков, нерегистрируемых в свободном состоянии, определяются лишь косвенно по анализу их связанных состояний — адронов. Поэтому речь может идти лишь о несколько неопределенной эффективной массовой характеристике. Современные данные позволяют привести, например, такой набор оценок: m_u ~ 5 МэВ, m_d ~ 7 МэВ, m_s ~ 150 МэВ, m_с ~ 1,4 ГэВ, m_b ~ 4,8 ГэВ, m_t > 20 ГэВ.

Глюоны (от англ. glue — клей) — безмассовые частицы, играющие роль кваркового клея. Именно глюоны переносят взаимодействие между кварками и удерживают последние в «безвыходной темнице» внутри адронов. Современные теоретические схемы используют 8 глюонов, которые в роли переносчиков взаимодействия похожи на фотон и промежуточные бозоны (тоже имеют спин единица и являются калибровочными бозонами). Но фотон обеспечивает электромагнитную связь, будучи сам электрически нейтральной частицей, тогда как некоторые глюоны сами несут цветовой заряд, и каждый глюон может быть источником других глюонов. 6 глюонов обеспечивают изменение кварковых цветов в процессах взаимодействия, а 2 — ответственны за взаимодействия кварков, сохраняющих цвет. По современным представлениям, глюонные силы оригинальны в том отношении, что они исчезают на очень малых расстояниях, но могут стать велики на больших.

Адроны (от греч. ћadros — тяжелый, сильный) — самое обширное семейство частиц, в которое включают и бозоны (мезоны) и фермионы (барионы), сильно взаимодействующие друг с другом. Массы и времена жизни некоторых адронов приводятся в таблице:

Таблица адронов

#

Частица Название Масса (МэВ) Время жизни (сек) или? — ширина для резонансов (МэВ)

#

Мезоны

Стабильные

?0 ?-ноль-мезон 134,9739 (6) 8,4.10^-17

?± ?±-мезон 139,5675 (4) 2,6030 (24).10^-8

? Эта-мезон 548,8 (6) i 8.10^-19

(? = (1,19 ± 0,12) кэВ)

Резонансы

? (770) ро-770 768,3 (5) 149,1 (2,9)

?(783) омега-783 781,95 (14) 8,43 (10)

………… ……………… ……………… ……………

J/? (3097) джи-пси-мезон 3096,93 (9) 0,068 (10)

………… ……………… ……………… ……………

? (11020) ипсилон-мезон 11019 (8) 79 (16)

Барионы

Стабильные

p протон 938,27231 (28) (0,1 ? 5).10³² лет

n нейтрон 939,56563 (28) 888,6 (3,5)

? лямбда- гиперон 1115,63 (5) 2,632 (20).10^-10

?- омега-минус-гиперон 1672,43 (32) 0,822 (12).10^-10

Резонансы

N (1700) эн-1700 1700 (от 1670 до 1730) 100 (от 70 до 120)

………… ……………… ……………… ……………

? (1232) дельта-три-три 1232 (от 1230 до 1234) 115 (от110 до 120)

………… ……………… ……………… ……………

N (2600) эн-2600 от 2580 до 2700 C 400

Эта таблица требует некоторых пояснений. Во-первых, адронов насчитывается 2–3 сотни. Столь удивительная приблизительность связана с тем, что не все они зарегистрированы с одинаковой долей точности. В полных таблицах элементарных частиц приводится 4 степени регистрации (хорошая; ясная и безошибочная; хорошая, но нуждающаяся в подтверждении; слабая). Наряду с отмеченными в таблицу входят обширные группы мезонов (К, D, F, В, ?, ? и др.) и барионов (N, ?, ?, ?, дибарионы). При оценке количества частиц надо иметь в виду, что за некоторыми символами иногда скрывается много частиц. Один из таких случаев явно раскрыт в таблице: ? — мезон — это три близких по массе частицы с разными зарядами (?⁺, ?^- и ?⁰). Столько же частиц скрывается за символом? ? (?⁺, ?^- и ?⁰), а барионный резонанс ? (1232) — это целых четыре состояния (?⁺⁺ , ?⁺, ?⁰ и ?^-). В целом, можно сделать вывод, что адроны образуют довольно плотный спектр состояний мезоны в интервале 135-11 000 МэВ, а барионы в интервале 940-3000 МэВ. Во-вторых, следует немного задержать внимание на разделении мезонов и барионов на подклассы стабильных и нестабильных (резонансы). На самом деле единственный абсолютно стабильный адрон — это протон, хотя теоретики не уверены и в этом. Стабильными адронами обычно называют те, которые имеют относительно большое время жизни в ядерном масштабе времен (10^–23 с), то есть распадаются за счет сравнительно малоинтенсивных слабых (?^±, n, ?^-) и электромагнитных (?⁰, ?)взаимодействий. Резонансы же распадаются очень быстро за счет сильных взаимодействий, и для характеризации этих распадов используют так называемую ? — ширину, обратно пропорциональную времени жизни (? = ћ/?)[208]. Из-за быстрого распада резонансы обычно не оставляют собственного следа в регистрирующих устройствах, но приводят к вполне определенной перестройке в распределениях непосредственно детектируемых частиц по энергии, главным образом к возникновению пиков в этих распределениях при тех или иных значениях энергии. Пиковые значения энергии и определяются как массы адронных резонансов, а ширина пика («размытость массы резонанса») и есть ? — ширина.

Все адроны обладают кварковой структурой, и их в какой-то степени можно рассматривать как кварковые атомы или молекулы. Но в отличие от последних силы, связывающие структурные единицы, имеют неэлектромагнитную природу и вообще ведут себя весьма оригинально — нарастают при попытке раздвинуть кварки на большие расстояния. По современным представлениям этот рост межкварковых сил столь эффективен, что «ионизировать» адрон, т. е. расщепить его на отдельные кварки, невозможно. Здесь усматривается принципиальная разница между сложными адронами и такими структурными уровнями вещества, как атомно-молекулярный и даже ядерный. И атомы и ядра сравнительно легко расщепляются на составные части, адрон же представляет собой, по-видимому, первый пример нерасщепляемой структуры.

Вообще-то, в разных типах экспериментов адроны выглядят несколько по-разному. Скажем, в виде набора 2–3 кварков они проявляются при попытке передать им очень большой импульс, по сути — при попытке заглянуть в глубину адрона. Между прочим, даже такой явно составной ядерный объект, как дейтерий (ядро атома тяжелого водорода, в котором протон связан с нейтроном), при жестком просвечивании похож на набор 6 кварков, разумеется, отбросив все случаи развала на протон и нейтрон.

При менее глубоком зондировании (небольших передачах импульса) адрон представляет собой что-то вроде облака плотной материи, размазанного по области пространства радиусом порядка 10–13 см.

Если весьма грубо усреднить известные данные об адронах, эти частицы можно нарисовать примерно так. В глубине адрона находятся два (мезон) или три (барион) так называемых валентных кварка, довольно слабо связанных глюонными силами. Валентные кварки быстро движутся внутри адрона можно сказать, что их кинетическая энергия заметно превышает потенциальную. Однако на больших расстояниях (~10–13 см) глюонные силы резко возрастают и не выпускают кварки наружу (явление конфайнмента (confinement) пленения кварков). Именно валентные кварки и можно увидеть, просвечивая адрон быстрыми электронами, передающими адрону большой импульс и (в силу соотношений неопределенностей) способных глубоко проникнуть в его структуру.

Обнаружение точечных составляющих адрона в опытах такого типа в 1969 году напоминает о знаменитых результатах Резерфорда, который еще в начале века по той же схеме нащупал малое в объеме атома положительно заряженное ядро. Точечные составляющие адронов были названы партонами (от англ, part — часть), и вскоре выяснилось, что по зарядовым свойствам они хорошо соответствуют кваркам. Валентные кварки-партоны окружены морем менее энергичных партонов, которые по мере продвижения к периферии объединяются в пары и тройки, составляя как бы зародыши новых адронов. На периферии адрона зародыши формируют виртуальную шубу, по-видимому, сами немного обрастая собственными «морями». Такие промежуточные между чистым двух-трех-кварковым зародышем и реальным адроном состояния называются виртуальными частицами. Виртуальные частицы чрезвычайно краткоживущие образования и не имеют определенной массы, но по всем своим зарядовым свойствам они похожи на реальные адроны (т. е. можно говорить о виртуальном? — мезоне, К-мезоне, антипротоне и т. п., однако именно л-мезоны играют основную роль в виртуальной шубе).

Можно понимать дело так, что виртуальные частицы — это адроны с неполноценной (недоформированной) собственной шубой, или — по-другому — это адроны, чья шуба здорово ободрана в сверхплотной кварк-глюонной среде[209]. Виртуальный адрон может превратиться во вполне реальный, если исходному адрону сообщить достаточную энергию, чтобы он стряхнул свою шубу. При этом все зародыши или их часть (смотря сколько энергии!) попутно обзаводятся собственными развитыми шубами. По сути, большая интенсивность сильных взаимодействий проявляется в большой вероятности таких превращений в результате столкновений энергичных адронов. Обильное появление новых адронов в соударениях при высоких энергиях (процесс множественного рождения) — одно из интереснейших проявлений микромира.

Изображенная здесь картина — это лишь качественные «штрихи к портрету» адронов. Адрон — капризнейший натурщик, искусно скрывающий свой внутренний мир, требующий особых красок и особой живописной техники и вовсе не укладывающийся в привычные рамки атомных и ядерных образов.