Элементарные частицы

Еще в 1950 году итальянский физик Энрико Ферми высказался по поводу девяти известных к тому времени элементарных частиц, что "это уже достаточно большое число, чтобы вызвать подозрение в элементарности хотя бы некоторых из них". А в экспериментах появлялись все новые и новые элементарные частицы. Зачем природе понадобилось столь огромное количество "простейших кирпичиков" материи и как упорядочить это множество, привести его в систему?..

Элементарные частицы все-таки имеют нечто общее

Правда, элементарные частицы все-таки имеют нечто общее: почти все они взаимодействуют друг с другом с помощью ядерных сил и образуют огромный класс адронов. Сюда попали протоны и нейтроны – основные элементарные частицы, из которых сложено ядро. Здесь получило прописку и семейство мезонов: поначалу оно состояло из π и К-мезонов, частиц, уступающих по массе протонам и нейтронам. Но самое большое пополнение в класс адронов сделали такие элементарные частицы как гипероны – близкие родственники протона и нейтрона, отличающиеся от них небывало коротким временем жизни. Рождаются все эти многочисленные лямбда-, сигма-, кси-, омега-гипероны в столкновениях нуклонов с ядрами и друг с другом, живут триллионные доли секунды и умирают, распадаясь опять же на нуклоны и мезоны. Все элементарные частицы можно разделить на две группы: мезоны и барионы (нуклоны и гипероны).

Оказалось, что элементарные частицы протоны и нейтроны в ядре непрерывно обмениваются π-мезонами, перебрасывая их друг другу. Так возникает между ними незримая связь, названная обменными силами. Эти силы и удерживают вместе нуклоны, образующие ядро. Но, что же делать с остальными адронами, которые только и делают, что сталкиваются друг с другом, превращаясь опять же друг в друга?! Какова их роль в микромире и как отличить в этом скопище элементарные частицы от составных, сложных?

Возьмем, к примеру, нейтрон. В свободном состоянии вне ядра он распадается на протон, электрон и нейтрино. Значит, нейтрон – сложная частица. Но протон, если ударить по нему в ускорителе другим протоном, может испустить π-мезон и превратиться в нейтрон. Выходит, теперь уже протон сложен из нейтрона и мезона? Вот и разберись, что здесь простое, элементарное, а что сложное!

Выходит, что все адроны неэлементарны, а значит, просто обязаны быть составленными из каких-то частей. Но каких?

Американский физик Г. Гелл-Манн предположил, что все известные элементарные частицы адроны состоят из разных комбинаций трех неделимых частиц, которые он назвал "кварками". Все барионы, по его мнению, должны состоять из трех кварков, мезоны – из двух, кварка и антикварка. У всех наблюдаемых частиц электрический заряд равен целому числу зарядов электрона, стало быть, кварки должны иметь дробный заряд, чтобы в сумме дать целое.

Протон, к примеру, по этой гипотезе состоит из двух u-кварков и одного d-кварка. Электрический заряд, приписанный u-кварку равен +2/3, d-кварку - –1/3. Нетрудно проверить, что заряды двух u-кварков и одного d-кварка в сумме дадут +1.

Антикварки обозначаются теми же символами, что и кварки, но с черточкой сверху, и имеют противоположные свойства. u-антикварк имеет заряд -2/3, d-антикварк – +1/3. π+-мезон, например, строится из u-кварка и d-антикварка, а заряд его, как и полагается, равен + 2/3 + 1/3 = +1.

Кварковая модель успешно объясняет результаты экспериментов, и предсказывает новые элементарные частицы.

Инструменты