Элементарная частица

Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые на данный момент на практике невозможно расщепить на составные части^[1].

Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы^[2]. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы, в том числе частицы, составляющие ядро атома — протоны и нейтроны) имеют сложную внутреннюю структуру, но тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно по причине эффекта конфайнмента.

Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются по экспоненциальному закону с постоянной времени от приблизительно 880 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10⁻²⁴ до 10⁻²² с для резонансов).

Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.

Все элементарные частицы подчиняются принципу тождественности (все элементарные частицы одного вида во Вселенной полностью одинаковы по всем своим свойствам) и принципу корпускулярно-волнового дуализма (каждой элементарной частице соответствует волна де-Бройля).

Все элементарные частицы обладают свойством взаимопревращаемости, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы и их совокупности, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда, барионного заряда и др.

Основные характеристики элементарных частиц: время жизни, масса, спин, электрический заряд, магнитный момент, барионный заряд, лептонный заряд, странность, очарование, прелесть, истинность, изотопический спин, чётность, зарядовая чётность, G-чётность, CP-чётность, T-чётность, R-чётность, P-чётность.

Все элементарные частицы делятся на два класса:

• Стабильные элементарные частицы — частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии (протон, электрон, нейтрино, фотон, гравитон и их античастицы).
• Нестабильные элементарные частицы — частицы, распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии за конечное время (все остальные частицы).

Все элементарные частицы делятся на два класса:

• Безмассовые частицы — частицы с нулевой массой (фотон, глюон).
• Частицы с ненулевой массой (все остальные частицы).

Все элементарные частицы делятся на два класса:

• бозоны — частицы с целым спином^[3] (например, фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса);
• фермионы — частицы с полуцелым спином^[3] (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино).

Элементарные частицы делятся на следующие группы:

• Адроны — частицы, участвующие во всех видах фундаментальных взаимодействий. Они состоят из кварков и подразделяются, в свою очередь, на:
  • мезоны — адроны с целым спином, то есть являющиеся бозонами;
  • барионы — адроны с полуцелым спином, то есть фермионы. К ним, в частности, относятся частицы, составляющие ядро атома, — протон и нейтрон.

• Лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть 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 — дробно заряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, 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;
  • восемь глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие;
  • три промежуточных векторных бозона W⁺, W⁻ и Z⁰, переносящие слабое взаимодействие;
  • гравитон — гипотетическая частица, переносящая гравитационное взаимодействие. Существование гравитонов, хотя пока не доказано экспериментально в связи со слабостью гравитационного взаимодействия, считается вполне вероятным; однако гравитон не входит в Стандартную модель элементарных частиц.

Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.

Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, предсказанный в 1964 году и обнаруженный в 2012 году на Большом адронном коллайдере.

Несмотря на большое разнообразие элементарных частиц, их размеры укладываются в две группы. Размеры адронов (как барионов, так и мезонов) составляют около 10⁻¹⁵ м, что близко к среднему расстоянию между входящими в них кварками. Размеры фундаментальных, бесструктурных частиц — калибровочных бозонов, кварков и лептонов — в пределах погрешности эксперимента согласуются с их точечностью (верхний предел диаметра составляет около 10⁻¹⁸ м) (см. пояснение). Если в дальнейших экспериментах окончательные размеры этих частиц не будут обнаружены, то это может свидетельствовать о том, что размеры калибровочных бозонов, кварков и лептонов близки к фундаментальной длине (которая весьма вероятно^[4] может оказаться планковской длиной, равной 1,6·10⁻³⁵ м).

Следует отметить, однако, что размер элементарной частицы является достаточно сложной концепцией, не всегда согласующейся с классическими представлениями. Во-первых, принцип неопределённости не позволяет строго локализовать физическую частицу. Волновой пакет, представляющий частицу как суперпозицию точно локализованных квантовых состояний, всегда имеет конечные размеры и определённую пространственную структуру, причём размеры пакета могут быть вполне макроскопическими — например, электрон в эксперименте с интерференцией на двух щелях «чувствует» обе щели интерферометра, разнесённые на макроскопическое расстояние. Во-вторых, физическая частица меняет структуру вакуума вокруг себя, создавая «шубу» из кратковременно существующих виртуальных частиц — фермион-антифермионных пар (см. Поляризация вакуума) и бозонов-переносчиков взаимодействий. Пространственные размеры этой области зависят от калибровочных зарядов, которыми обладает частица, и от масс промежуточных бозонов (радиус оболочки из массивных виртуальных бозонов близок к их комптоновской длине волны, которая, в свою очередь, обратно пропорциональна их массе). Так, радиус электрона с точки зрения нейтрино (между ними возможно только слабое взаимодействие) примерно равен комптоновской длине волны W-бозонов, ~3×10⁻¹⁸ м, а размеры области сильного взаимодействия адрона определяются комптоновской длиной волны легчайшего из адронов, пи-мезона (~10⁻¹⁵ м), выступающего здесь как переносчик взаимодействия.

Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, то есть не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.

Таким образом, физики продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) применяется термин «фундаментальные частицы».

В активно разрабатываемой примерно с середины 1980-х теории струн предполагается, что элементарные частицы и их взаимодействия являются следствиями различных видов колебаний особо малых «струн».

Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса, отвечающий за наличие инертной массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью — например, такие, как гравитон (частица, гипотетически переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц. Всего модель описывает 61 частицу^[5].

12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них — кварки. Другие шесть — лептоны, три из которых являются нейтрино, а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон, мюон и тау-лептон.

Поколения частиц

Первое поколение	Второе поколение	Третье поколение
Электрон: e−	Мюон: μ−	Тау-лептон: τ−
Электронное нейтрино: νe	Мюонное нейтрино: νμ	Тау-нейтрино: ${\displaystyle \nu _{\tau }}$
u-кварк («верхний»): u	c-кварк («очарованный»): c	t-кварк («истинный»): t
d-кварк («нижний»): d	s-кварк («странный»): s	b-кварк («прелестный»): b

Также существуют 12 фермионных античастиц, соответствующих вышеуказанным двенадцати частицам.

Античастицы

Первое поколение	Второе поколение	Третье поколение
позитрон: e+	Положительный мюон: μ+	Положительный тау-лептон: τ+
Электронное антинейтрино: ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$	Мюонное антинейтрино: ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{\mu }}$	Тау-антинейтрино: ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{\tau }}$
u-антикварк: ${\displaystyle {\bar {u}}}$	c-антикварк: ${\displaystyle {\bar {c}}}$	t-антикварк: ${\displaystyle {\bar {t}}}$
d-антикварк: ${\displaystyle {\bar {d}}}$	s-антикварк: ${\displaystyle {\bar {s}}}$	b-антикварк: ${\displaystyle {\bar {b}}}$

Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии — это объясняется явлением конфайнмента. На основании симметрии между лептонами и кварками, проявляемой в электромагнитном взаимодействии, выдвигаются гипотезы о том, что эти частицы состоят из более фундаментальных частиц — преонов.

По мнению большинства физиков, существуют неизвестные доселе типы частиц, из которых состоит тёмная материя^[6]

• Лоуренс Краусс. Почему мы существуем. Величайшая из когда-либо рассказанных историй = Krauss. The Greatest Story Ever Told - So Far: Why Are We Here?. — М.: Альпина Нон-фикшн, 2018. — 420 с. — ISBN 978-5-91671-948-2.
• Главный редактор А. М. Прохоров. Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия.

• Хроника открытий в физике ядра и частиц, подготовленная сотрудниками физического факультета МГУ им М. В. Ломоносова
• Физика элементарных частиц на Scientific.ru
• Полная таблица элементарных частиц, подготовленная Particle Data Group (англ.)
• Физика элементарных частиц — в мире, в ИЯФ, на кафедре ФЭЧ
• Имена: поэзия элементарных частиц (англ.)