Свойства элементарных частиц

Перечислим свойства элементарных частиц:

  1. Тождественность (неразличимость) частиц данного типа, например электронов, протонов и т.д.;
  2. Способность существовать в свободном состоянии достаточно большой промежуток времени (больше характерного ядерного времени 10-23 с). Но частицы могут быть и весьма устойчивыми и существовать неопределенно долго;
  3. Обладание зарядом, массой покоя (собственной энергией), спином, сохраняющимися при взаимодействиях частиц;
  4. Элементарные частицы могут превращаться в другие элементарные частицы — это одно из их основных свойств;
  5. Элементарность не исключает сложного внутреннего строения частицы, о чем в настоящее время известно довольно мало.

С давних пор в физике существовало представление об «элементарных» частицах, из которых построено вещество. Ньютон считал, что все тела построены из неких одинаковых «первочастиц», остающихся самотождественными при образовании из них частиц вещества. Именно поэтому он приписывал массе свойство аддитивности, вполне справедливое в рамках классической нерелятивистской физики. Но при ядерных взаимодействиях масса покоя частиц уже неаддитивна, так как приходится считаться с массой энергии связи частиц.

Позже элементарными считались атомы (так как они не разлагались химическими методами). Появление ядерно-электронной модели атома Резерфорда заставило отказаться от этой идеи. Еще " позже было установлено, что ядра состоят из нуклонов и обладают дискретным спектром энергетических состояний. Следовательно, и ядра не являются элементарными частицами.

Может быть, элементарными являются нуклоны? Прежде чем отвечать на этот вопрос, нужно яснее определить содержание понятия «элементарная частица».

Так, мы до сих пор не можем объяснить размеров электрона и его устойчивости. Если рассматривать электрон как поверхностно заряженный шарик, то его масса покоя т0 будет связана с его электростатической энергией W и радиусом ρ эйнштейновским соотношением:

Отсюда для радиуса электрона, называемого «классическим», получается:

Но насколько близко это значение к действительности и почему электрон устойчив, мы не знаем. Эксперименты последних летают определенные указания на сложность структуры протона и нейтрона.

При изучении ядерных реакций были обнаружены нестабильные частицы (продолжительность жизни меньше 10-10 с) с массами, превышающими массу протона в полтора-два раза. Они названы гиперонами. Однако не исключена возможность, что это нуклоны, находящиеся в сильно возбужденных состояниях.

Стройной теории элементарных частиц пока не существует. Применяя весьма сложный специфический математический аппарат, теоретики смогли предсказать свойства нескольких микрочастиц, позже обнаруженных на опыте. В этой связи стоит указать, что нуклоны иногда считают образованными из гипотетических пока частиц — кварков, имеющих дробный электрический заряд (±е/3, ± 2е/3). Попытки обнаружить кварки в свободном состоянии не дали положительных результатов, как и поиски гравитонов — частиц, связанных с гравитационным полем.