Элементарные частицы

В широком смысле физика частиц изучает объекты меньше атомного ядра, но термин «элементарная частица» обычно используют для частиц без известной внутренней структуры. Протоны и нейтроны не элементарны: это составные адроны, образованные кварками и глюонами. Электрон и кварки в рамках Стандартной модели считаются фундаментальными.

Известны сотни субатомных частиц и резонансов, но большинство из них составные и нестабильные

В экспериментах известно множество сотен адронов и резонансов, но большинство из них не являются элементарными: они состоят из кварков. В Стандартной модели к фундаментальным частицам материи относят шесть кварков и шесть лептонов; взаимодействия описываются калибровочными бозонами, а особое место занимает бозон Хиггса.

По отношению к ядру частицы подразделяются на два класса.

К лептонам относятся электрон, мюон, тау-лептон и три соответствующих нейтрино. Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Нейтрино электрически нейтральны и имеют очень малые, но ненулевые массы; это следует из наблюдения нейтринных осцилляций.

Адроны — частицы, участвующие в сильном взаимодействии и состоящие из кварков. К ним относятся барионы (например, протон и нейтрон) и мезоны. Барионы в обычном случае состоят из трех валентных кварков, а мезоны — из кварка и антикварка; классификация определяется кварковым составом, а не тем, появляется ли протон среди продуктов распада.

Поскольку видов адронов очень много, для упрощения картины была создана так называемая кварковая модель, согласно которой адроны состоят из еще более элементарных частиц. Эти частицы — кварки. Они имеют дробный электрический заряд — 1/3 или 2/3 заряда электрона либо протона. В свободном состоянии обнаружить их невозможно, а свойства и сам факт существования кварков определяются адронами, в состав которых они входят.

И адроны, и лептоны представляют собой строительный материал атомов. Есть еще так называемые калибровочные бозоны, к числу которых относятся и глюоны. Они удерживают элементарные частицы вместе.

Стандартная модель элементарных частиц

Современная теория строения и взаимодействий элементарных частиц называется стандартной моделью. Согласно ей, элементарные кирпичики материи — шесть видов лептонов и шесть сортов (их называют ароматами) кварков. Все эти частицы являются фермионами. Многочисленные адроны — составные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, — составлены из кварков в разных комбинациях. Каждый сорт кварка состоит из трех типов, кроме того, есть еще и антикварки. Поэтому стандартная модель может быть расширена до 61 частицы.

Три типа сил, действующих между фундаментальными фермионами: электромагнитные, слабые и сильные. Сильное взаимодействие связывает кварки в адроны.

Цветные и прелестные

Цвета кваркам придумали ради удобства изучения. На самом деле они отличаются друг от друга не окраской

Считается, что кварки бывают цветными, но на самом деле эти цвета условные и не имеют никакого отношения к краскам. Тем более что кроме синих, зеленых и красных кварков существуют еще антисиние, антикрасные и антизеленые. Кварки меняют цвет, когда обмениваются другими элементарными частицами — глюонами. Кроме цвета кварки обладают необычными именами. Физики назвали три из них странным, прелестным и очарованным кварками. И они действительно заслуживают эти названия.

История появления слова «кварк»

По одной из версий, слово «кварк» — звукоподражание крикам чаек

Слово «кварк» физик Марри Гелл-Манн взял из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где чайки кричат: «Три кварка для мастера Марка!» Считается, что слово «кварк» здесь просто звукоподражание птичьему крику. Но слово quark по-немецки означает «творог» или «чепуха». И поэтому есть другая версия: Джойс, будучи в Австрии, услышал рекламный слоган «Drei Mark fur Musterquark» («Три марки за образцовый творог»), перефразировал его и вставил в роман.