Кожна частинка описується набором фізичних величин - квантових чисел, що визначають її властивості. Найбільш часто вживані характеристики частинок наступні.
Маса спокою частинки,. Маси спокою елементарних частинок визначаються або по відношенню до маси електрона, або на підставі співвідношення в МеВ. Існують елементарні частинки, маса спокою яких дорівнює нулю, наприклад фотони. Вони завжди рухаються зі швидкістю світла. До групи лептонів відносяться легкі частинки: електрони (кг МеВ), позитрони, різні нейтрино. Частинки з масою в межах до тисячі мас електрона називають мезонами: - мезони, - мезони (МеВ), - мезони (МеВ). Важкі елементарні частинки називаються баріонами: протон, нейтрон, гіперонів, резонанси. Наприклад, маса протона МеВ, маса гіперона дорівнює МеВ. Існують і більш важкі частинки: маса бозона дорівнює ГеВ, маса недавно відкритого бозона Хіггса оцінюється в ГеВ.
Час життя. . Залежно від часу життя частинки поділяються на стабільні, квазістабільні і нестабільні. До стабільним часткам відносяться протон (> 5 # 8729; 10 32 років), електрон (> 2 # 8729; 10 22 років), три різновиди нейтрино і їх античастинки, для яких в даний час розпади не виявлені, фотони. Все решта - елементарні частинки нестабільні, їх час життя знаходиться в межах 10 -10 - 10 -24 с, після чого вони розпадаються. До нестабільних частинок відносять частинки, які розпадаються в результаті сильної взаємодії. Їх зазвичай називають резонансами. Характерне час життя резонансів 10 -24 - 10 -22 с. Частинки, які розпадаються за рахунок слабкої або електромагнітного взаємодій, час життя яких перевищує 10 -20 с, називаються квазістабільності. Наприклад, час життя - мезона 0,8 # 8729; 10 -16 с.
Електричний заряд . Електричний заряд елементарних частинок є цілою кратною величиною від елементарного електричного заряду = 1,6 # 8901; 10-19 Кл. Відомі елементарні частинки мають електричні заряди Кварки мають дробові електричні заряди: верхні кварки нижні
Спін. Спін - власний момент кількості руху елементарної частинки, що має квантову природу і не пов'язаний з переміщенням частинки як цілого. Величина спина вимірюється в одиницях постійної Планка і дорівнює. де - характерне для кожного сорту частинок ціле (в тому числі нульове) або напівціле позитивне число, зване квантовим числом. Наприклад, спін -, -мезонів дорівнює 0, спін фотона дорівнює 1, Гравітон 2. Спін електрона, мюона, протона дорівнює 1/2, спін - гіперона дорівнює 3/2. Частинки з напівцілим спіном підкоряються статистиці Фермі-Дірака, їх називають фермионами. До ферміонами відносяться лептони, баріони, баріонів резонанси, кварки і їх античастинки. Для ферміонів справедливий принцип заборони Паулі. Частинки з цілим спіном підкоряються статистиці Бозе-Ейнштейна, їх називають бозона. До бозонів відносяться фотон, гравітон, проміжні векторні бозони, мезони і мезонні резонанси, глюони.
Внутрішня парність - квантове число, що характеризує поведінку хвильової функції фізичної системи при деяких дискретних перетвореннях. Якщо при просторової інверсії (перехід від правовінтовую системи координат до левовінтовой) хвильова функція залишається незмінною, то стан, що описується такий хвильовий функцією, називається парним (= + 1). Якщо при такому перетворенні хвильова функція змінює знак на протилежний, то такий стан називається непарною (= - 1). Наприклад, парність - мезона
Поряд із загальними для всіх частинок характеристиками, використовують також квантові числа, які приписують тільки окремим групам частинок.
Лептонний заряд (лептонний заряд) - адитивна внутрішнє квантове число, яке приписують кожному сімейству (поколінню) лептонів: - - -. Лептони. і беруть участь тільки в електромагнітних і слабких взаємодіях. Лептони. і беруть участь тільки в слабких взаємодіях. Зазвичай лептонам приписується лептонний заряд, що дорівнює а антілептонам, рівне Наприклад, електрон електронне нейтрино мають; а мають При цьому. і не тотожні один одному. Для елементарних частинок, які не є лептонами, лептонний заряд дорівнює нулю. Експеримент показав, що у всіх процесах взаємодії елементарних частинок за участю лептонів кожне з лептонних чисел зберігається.
Баріонна число (баріонів заряд),. - характеристика елементарних частинок, що відображає встановлений на досвіді закон збереження «важких» частинок - баріонів. Поняття «баріонна число» введено в 1938 р Е.Штюкельбергом для пояснення стабільності протона. Баріонна число протона, нейтрона, і гіперонів одно +. а - і - мезони мають У антібаріонов. Закон збереження баріонів заряду забороняє розпад протона, що володіє баріонним зарядом, на мезони і лептони, які не мають баріонів заряду.
Дивина, - аддитивное квантове число, яке є однією зі специфічних характеристик адронів, носієм якої є дивний кварк. Всі адрони мають певними цілочисельними (нульовими, позитивними або негативними) значеннями. причому Адрони з називаються дивними частинками. До дивним частинок відносяться К-мезони, гіперонів і деякі резонанси. Наприклад, гіперонів і мають мезони мають Частинкам, яка не бере участі в сильній взаємодії, приписується значення В процесах, обумовлених сильним і електромагнітним взаємодіями, дивина зберігається, тобто сумарна дивина вихідних і кінцевих частинок однакова. У процесах слабкої взаємодії дивина може порушуватися.
Чарівність (шарм) [від англ. charm - чарівність] - аддитивное квантове число. характеризує адрони або кварки. Носієм квантового числа є кварка, масою приблизно 1,5 ГеВ і електричним зарядом +2/3. Може приймати значення -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3. Наприклад, має Квантовий число чарівність зберігається в сильному і електромагнітному взаємодіях, але порушується слабкою взаємодією.
Принадність (краса, боттомность,) [від англ. - beauty] - аддитивное квантове число, властиве красивим, або чарівним, адронів, що зберігається в процесах сильної і електромагнітної взаємодії і порушує в процесах слабкої взаємодії. Носієм краси є - кварк, а також адрони, до складу яких входить - кварк (або його антікварк). Для красивих баріонів квантове число може приймати значення
Для всіх елементарних частинок з ненульовими значеннями хоча б одного з квантових чисел існують античастинки з тими ж значеннями маси, часу життя, спина, изотопического спина (для адронів), але з протилежними знаками зазначених квантових чисел. Частинки, які не мають античастинок, називаються істинно нейтральними частинками (-, -, - і - мезони).
Поняття частки і античастинки відносні. Що називати часткою, а що античастинкою - це питання угоди. Електрон вважають часткою, а позитрон - античастинкою тільки тому, що в нашому Всесвіті переважають саме електрони, а позитрони є екзотичними об'єктами. У вакуумі при відсутності речовини позитрон настільки ж стабільний, як і електрон. Однак при зустрічі електрона з позитроном ці частинки анігілюють, перетворюючись в кілька квантів випромінювання. Анігілюють і інші частинки зі своїми античастинками. При анігіляції важких частинок виникають не стільки гамма-кванти, скільки інші легкі частки. Так, при анігіляції протона з антипротонів з'являються пі-мезони.
Речовина. основою якого є баріони - важкі елементарні частинки, що включають протони і нейтрони і ряд короткоживучих частинок, які при розпаді породжують протони, називається баріонним речовиною або баріонів матерією. Все речовина, з яким ми маємо справу і з якого самі складаємося, є баріонним. У нашому Всесвіті астрономами не виявлено скупчень антиречовини. Цей факт отримав назву баріонів асиметрії Всесвіту.
Баріонів асиметрія Всесвіту - екстраполяція на Всесвіт в цілому спостерігається переважання речовини над антиречовиною в нашому локальному скупченні галактик; відсутність в помітних кількостях в Метагалактиці антиречовини, що суперечить симетричного утворення пари частинка-античастинка з вакууму, відповідно до квантової теорії поля. Причину такої асиметрії слід шукати в походження і еволюцію нашого Всесвіту. Пояснення походження баріонів асиметрії Всесвіту - одна з ключових проблем сучасної космології і фізики елементарних частинок.
Контрольні питання для самопідготовки студентів:
1. Назвіть типи фундаментальних взаємодій.
2. Які структури називають елементарними частинками?
3. Основні характеристики елементарних частинок.