ФИЗИКА

9.3. Основные свойства элементарных частиц

Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной 1,6⋅10-27 кГ (заметно меньше лишь масса электрона: 9,1⋅10-31 кГ ).

Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, π-мезона по порядку величины составляют 10-15 м. Размеры электрона и мюона определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10-17 м. Маленькие массы и размеры элементарных частиц обуславливают квантовую специфику их поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать элементарным частицам в квантовой теории (ħ/mc, где ħ - постоянная Планка, m - масса частицы, c - скорость света), по порядку величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие (например, для π-мезона ħ/mc ≈ 1,4⋅10-15 м). Это и приводит к тому, что квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц – способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. В этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Элементарные частицы – это кванты соответствующих физических полей (п. 9.10).

Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, например, процесс рождения π+-мезона при столкновении двух протонов

(9.3.1)

или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших частиц возникают, например, два γ-кванта

(9.3.2)

Но и процессы упругого рассеяния частиц, например

(9.3.3)

также связаны с поглощением начальных и рождением конечных частиц.

Распад нестабильных элементарных частиц на более лёгкие частицы, сопровождаемый выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в котором продукты распада рождаются в момент самого распада, а до этого момента не существуют. В этом отношении распад элементарных частиц подобен распаду возбуждённого атома на основное состояние и фотон. Примерами распадов могут служить:

(9.3.4)

Знаком «тильда» над символом здесь и везде помечены соответствующие античастицы.

Существование процессов рождения и поглощения элементарных частиц приводит к тому, что для них в значительной мере теряет смысл «состоит из». В связи с этим уточним понятие «элементарная частица».

В макроскопическом мире мы просто видим, что дом состоит из кирпичей. Структуру и составные части микрообъектов непосредственно наблюдать нельзя. Тем не менее мы считаем, что в состав атома входят электроны, а в состав ядер – протоны и нейтроны, потому что все эти частицы выбиваются из атомов и ядер при бомбардировке последних пучками γ-квантов и других частиц. Но, если при столкновении может происходить не только развал сложной частицы на составные части, но и рождение, а также поглощение частиц, то уже непонятно, как отличить частицу, входившую в состав сложной частицы, от вновь родившейся, поскольку прибору всё равно, какую частицу он регистрирует.

Тем не менее, оказывается можно привести экспериментально проверяемый критерий, по которому элементарные частицы отличаются от остальных. Для этого надо учесть, что само понятие частицы существует, лишь пока эта частица свободна, или по крайней мере слабо связана, так что её энергия связи намного меньше энергии, соответствующей массе покоя. Фраза «частица x состоит из частиц x1, x2...xn» может иметь смысл лишь при одновременном соблюдении двух условий:

1) частица x может быть раздроблена на частицы x1, x2...xn при каких-либо столкновениях;

2) энергия связи Ei св любой xi частицы намного меньше её энергии покоя

(9.3.5)

Только при соблюдении этих условий существует область энергий столкновений Mic2 > E > Ei св, в которой уже происходит раздробление составных частиц, но ещё не происходит рождение новых. С учётом этого микрочастица называется элементарной, если для неё не соблюдается хотя бы одно из условий 1), 2). Отметим ещё одно определение элементарной частицы. Оно дано М.А. Марковым. Частица является элементарной только в том случае, если её размеры R не превышают её комптоновской длины волны . Все известные элементарные частицы удовлетворяют этому определению. Из этого определения следует ограничение на максимально возможную массу элементарной частицы. Именно, оказывается, что максимально возможное значение массы элементарной частицы составляет 10-5 г при радиусе 10-33 см. Частица такой массы постулирована М.А. Марковым и названа максимоном.

к к к