Фундаментальные взаимодействия. Элементарные частицы и античастицы.

Элементарные частицы – первичные, основные частицы, которые не содержат каких-либо других элементов.

Согласно современным представлениям, в природе осуществляется четыре вида фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

Сильное, или ядерное взаимодействие обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях.

Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. Оно характерно для всех элементарных частиц, за исключением нейтрино, антинейтрино и фотона. Электромагнитное взаимодействие, в частности, ответственно за существование атомов и молекул, обусловливая взаимодействие в них положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов.

Слабое взаимодействие — наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино или антинейтрино (например, (β-распад, μ - распад), а также за безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы

Гравитационное взаимодействие присуще всем без исключения частицам, однако из-за малости масс элементарных частиц оно пренебрежимо мало и, по-видимому, в процессах микромира несущественно.

Чем сильнее взаимодействие, тем с большей интенсивностью протекают процессы. Как сильное, так и слабое взаимодействия — короткодействующие.

Классификация элементарных частиц

По времени жизни все элементарные частицы делятся на два класса:

1. Стабильные элементарные частицы — частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии (протон, электрон, нейтрино, фотон, гравитон и их античастицы).

2. Нестабильные элементарные частицы — частицы, распадающиеся на другие частицы в свободном состоянии за конечное время (все остальные частицы).

По массе все элементарные частицы делятся на два класса:

1. Безмассовые частицы — частицы с нулевой массой (фотон, глюон).

2. Частицы с ненулевой массой (все остальные частицы).

По величине спина все элементарные частицы делятся на два класса:

1. Бозоны — частицы с целым спином (например, фотон, глюон, мезоны, бозон Хиггса).

2. Фермионы — частицы с полуцелым спином (например, электрон, протон, нейтрон, нейтрино).

По видам взаимодействий элементарные частицы делятся на следующие группы:

1. Составные частицы

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.

2. Фундаментальные (бесструктурные) частицы

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. 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.

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

Античастицей называется частица, имеющая заряд, противоположный заряду своей частицы и массу, равную массе частицы. При взаимодействии друг с другом частица и античастица превращаются в э/м излучение (аннигилируют друг с другом). Пример: античастицей электрона является позитрон.