Элементарные частицы. Античастицы. Кварки
Классификация элементарных частиц
История физики элементарных частиц берет свое начало в 90-х годах прошлого столетия, когда в 1897 г. Дж. Томсоном был открыт электрон (
). В 1919 году Резерфордом было доказано, что в состав любого ядра атома входит протон (
). В 1932 году появилось сообщение английского физика Дж. Чедвика об открытии нейтрона (
).
В 1928 году английский физик Дирак предположил, что у каждой элементарной частицы должна быть соответствующая античастица. То есть элементарные частицы рождаются только парами: частица – античастица. Это предположение было подтверждено в 1932 году, когда в космических лучах зарегистрировали позитрон – античастицу по отношению к электрону. В дальнейшем были открыты античастицы всем известным элементарным частицам.
Через некоторое время возникли теории, которые объясняли строение атомного ядра. Согласно этим теориям в состав атомных ядер также должны входить частицы, которые осуществляют обменное взаимодействие между открытыми ранее протоном, нейтроном и электроном, они получили название -мезонов. Эти предполагаемые частицы были открыты в промежуток с 1947 по 1950 год (
-мезоны,
-мезоны). Также было предположение о существовании нейтрального -мезона (
-мезоны), но он был открыт значительно позднее, так как в отличие от стабильных частиц (электрон, протон, нейтрон), время жизни которых было большим (время жизни протона 
, такие частицы, как 
-мезоны, живут очень короткое время (время жизни -мезона 
).
В итоге было открыто около 400 элементарных частиц. В их многообразии прослеживается более или менее стройная система классификации (см. Рис. 1). Элементарные частицы объединены в три основные группы: фотоны, лептоны, адроны.
К группе фотонов относится единственная элементарная частица – фотон, которая была открыта Эйнштейном в 1905 году.
К группе лептонов относятся частицы, масса которых порядка электронных масс (электрон, электронное нейтрино; мюон, мюонное нейтрино; тау-лептон, тау-нейтрино; соответствующие античастицы).
Адроны являются самыми распространёнными и самыми тяжёлыми частицами. Они делятся на две группы: мезоны и барионы.
Рис. 1. Элементарные частицы
Величины, характеризующие элементарные частицы. Формула Гелл-Манна – Нишиджимы
Каждая элементарная частица характеризуется следующими величинами:
1. 
– электрический заряд;
2. m – масса частицы (МэВ);
3. 
– время жизни (секунды или года);
4. L – лептонный заряд (особое квантовое число, характеризующее лептоны);
5. B – барионный заряд (особое квантовое число, характеризующее барионы);
6. 
– спин (квантовое число, определяющее соответствующую характеристику элементарной частицы, складываемую с её импульсом по правилу сложения векторов);
7. I – изотопический спин. Элементарные частицы можно сгруппировать в мультиплеты (совокупность элементарных частиц, обладающих сходными свойствами). Количество членов мультиплета характеризует изотопический спин:
Для примера, у протона и нейтрона изотопический спин равен:
Следовательно:
Поэтому нуклон представлен двумя состояниями – протоном и нейтроном.
Для пионов изотопический спин 
, следовательно, количество пионов равно 3 (
) – это
-мезоны,-мезоны, -мезоны.
8. S – странность (квантовое число, необходимое для описания некоторых короткоживущих частиц). Эту характеристику ввели Гёлл-Манн и Нишиджима в 1954 году для объяснения того, что некоторые элементарные частицы всегда рождаются парами, а также для объяснения аномально долгого времени жизни некоторых элементарных частиц.
9. C – очарование.
10. b – красота.
Американский физик Гёлл-Манн и японский физик Нишиджима для характеристики адронов ввели понятие гиперзаряда (Y).
,
где B – барионный заряд; S – странность; C – очарование; b – красота.
Гиперзаряд определяет заряд отдельно взятой частицы по формуле Гелл-Манна – Нишиджимы:
,
где 
– третья проекция изотопического спина.
Например, для нуклонов изотопический спин равен 
, поэтому проекция равна 
. Барионный заряд: 
. Остальные внутренние квантовые числа равны нулю. Следовательно, гиперзаряд: 
. Согласно формуле, заряд нуклона может быть равен:
, что соответствует протону ()
Или
– заряд нейтрона ()
Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц
Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц подразделяются на четыре вида: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное (см. табл. 1).
Табл. 1. Фундаментальные взаимодействия элементарных частиц
Если интенсивность сильного взаимодействия принять за единицу, то интенсивность электромагнитного будет порядка 
от сильного взаимодействия между частицами, слабого – 
, гравитационного – 
.
Теория кварков
В начале 60 годов XIX столетия было обнаружено более сотни сильновзаимодействующих элементарных частиц адронов. Появилось сомнение, что эти частицы не отражают предельной элементарности. В 1964 году М. Галл-Манн и независимо от него Д. Цвейг предложили теорию кварков как более фундаментальных частиц. На данный момент количество кварков равно 6.
Кварк – составная частица любого адрона. Обозначаются кварки 
, где α – это «цвет» кварка (дополнительная внутренняя характеристика). В таблице 2 представлены характеристики кварков.
Табл. 2. Характеритики кварков
Кварки несут дробный электрический заряд, который составляет либо 
, либо 
заряда электрона. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный нулю или единице. Все кварки имеют спин . Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками, либо парами кварк – антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы – барионы; наиболее известные барионы – нейтрон и протон. Более легкие пары кварк – антикварк образуют частицы, получившие название мезоны.
В настоящее время большинство физиков считает кварки подлинно элементарными частицами.
Таким образом, количество фундаментальных элементарных частиц на данный момент равно:
1 фотон+12 лептонов+36 кварков (учитывая антикварки и «цвета» кварков)+8 глюоны (элементарные частицы, являющиеся причиной взаимодействия кварков)=57.