спин (J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того,
по какому закону распределены массы Э. ч. и существует ли для них какая-то
единица измерения.
В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные
и нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных
измерений, являются электрон (t > 5Ч1021 лет), протон (t > 2Ч1030 лет),
фотон и нейтрино. К квазистабильным относят частицы, распадающиеся за счёт
электромагнитных и слабых взаимодействий. Их времена жизни > 10-20 сек (для
свободного нейтрона даже ~ 1000 сек). Резонансами называются Э. ч.,
распадающиеся за счёт сильных взаимодействий. Их характерные времена жизни
10-23-10-24 сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой і
3 Гэв) за счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни
увеличивается до значений - ~10-20 сек.
Спин Э. ч. является целым или полуцелым кратным от величины . В этих
единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и электрона J=
1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы и с более высоким спином. Величина
спина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных)
частиц, или их статистику (В. Паули, 1940). Частицы полуцелого спина
подчиняются Ферми - Дирака статистике (отсюда название фермионы), которая
требует антисимметрии волновой функции системы относительно перестановки
пары частиц (или нечётного числа пар) и, следовательно, "запрещает" двум
частицам полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии (Паули
принцип). Частицы целого спина подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике
(отсюда название бозоны), которая требует симметрии волновой функции
относительно перестановок частиц и допускает нахождение любого числа частиц
в одном и том же состоянии. Статистические свойства Э. ч. оказываются
существенными в тех случаях, когда при рождении или распаде образуется
несколько одинаковых частиц. Статистика Ферми - Дирака играет также
исключительно важную роль в структуре ядер и определяет закономерности
заполнения электронами атомных оболочек, лежащие в основе периодической
системы элементов Д. И. Менделеева.
Электрические заряды изученных Э. ч. являются целыми кратными от величины е
"1,6Ч10-19 к, называются элементарным электрическим зарядом. У известных Э.
ч. Q = 0, ±1, ±2.
Помимо указанных величин Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом
квантовых чисел, называются внутренними. Лептоны несут специфический
лептонный заряд L двух типов: электронный (Le) и мюонный (Lm); Le = +1 для
электрона и электронного нейтрино, Lm= +1 для отрицательного мюона и
мюонного нейтрино. Тяжёлый лептон t; и связанное с ним нейтрино, по-
видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда Lt.
Для адронов L = 0, и это ещё одно проявление их отличия от лептонов. В свою
очередь, значительные части адронов следует приписать особый барионный
заряд В (|Е| = 1). Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входят
протон, нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 -
подгруппу мезонов (p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп
адронов происходит от греческих слов barэs - тяжёлый и mйsos - средний, что
на начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные величины масс
известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что
массы барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0
и L = 0.
Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности: обычных
(нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны,
К-мезоны) и очарованных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов
особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с
допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных
частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| № 0, Ch = 0, для очарованных
частиц |Ch| № 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто используется
квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более
фундаментальное значение.
Уже первые исследования с обычными адронами выявили наличие среди них
семейств частиц, близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению
к сильным взаимодействиям, но с различными значениями электрического
заряда. Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства.
Позднее аналогичные семейства были обнаружены среди странных и (в 1976)
среди очарованных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие
семейства, является отражением существования у них одинакового значения
специального квантового числа - изотопического спина I, принимающего, как и
обычный спин, целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно называются
изотопическими мультиплетами. Число частиц в мультиплете (п)связано с I
соотношением: n = 2I + 1. Частицы одного изотопического мультиплета
отличаются друг от друга значением "проекции" изотопического спина I3, и
Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р,
связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения ±1.
Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного из зарядов О, L, В, Y
(S) и очарования Ch существуют античастицы с теми же значениями массы т,
времени жизни t, спина J и для адронов изотопического спина 1, но с
противоположными знаками всех зарядов и для барионов с противоположным
знаком внутренней чётности Р. Частицы, не имеющие античастиц, называются
абсолютно (истинно) нейтральными. Абсолютно нейтральные адроны обладают
специальным квантовым числом - зарядовой чётностью (т. е. чётностью по
отношению к операции зарядового сопряжения) С со значениями ±1; примерами
таких частиц могут служить фотон и p0.
Квантовые числа Э. ч. разделяются на точные (т. е. такие, которые связаны с
физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах) и неточные (для
которых соответствующие физические величины в части процессов не
сохраняются). Спин J связан со строгим законом сохранения момента
количества движения и потому является точным квантовым числом. Другие
точные квантовые числа: Q, L, В; по современным данным, они сохраняются при
всех превращениях Э. ч. Стабильность протона есть непосредственное
выражение сохранения В (нет, например, распада р ® е+ + g). Однако
большинство квантовых чисел адронов неточные. Изотопический спин,
сохраняясь в сильных взаимодействиях, не сохраняется в электромагнитных и
слабых взаимодействиях. Странность и очарование сохраняются в сильных и
электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняются в слабых
взаимодействиях. Слабые взаимодействия изменяют также внутреннюю и
зарядовую чётности. С гораздо большей степенью точности сохраняется
комбинированная чётность СР, однако и она нарушается в некоторых процессах,
обусловленных слабыми взаимодействиями. Причины, вызывающие несохранение
многих квантовых чисел адронов, неясны и, по-видимому, связаны как с
природой этих квантовых чисел, так и с глубинной структурой
электромагнитных и слабых взаимодействий. Сохранение или несохранение тех
или иных квантовых чисел - одно из существенных проявлений различий классов
взаимодействий Э. ч.
Классификация элементарных частиц.
Унитарная симметрия. Классификация лептонов пока не представляет проблем,
большое же число адронов, известных уже в начале 50-х гг., явилось
основанием для поиска закономерностей в распределении масс и квантовых
чисел барионов и мезонов, которые могли бы составить основу их
классификации. Выделение изотопических мультиплетов адронов было первым
шагом на этом пути. С математической точки зрения группировка адронов в
изотопические мультиплеты отражает наличие у них симметрии, связанной с
группой вращения (см. Группа), более формально, с группой SU (2) - группой
унитарных преобразований в комплексном двумерном пространстве.
Предполагается, что эти преобразования действуют в некотором специфическом
внутреннем пространстве - "изотопическом пространстве", отличном от
обычного. Существование изотопического пространства проявляется только в
наблюдаемых свойствах симметрии. На математическом языке изотопические
мультиплеты суть неприводимые представления группы симметрии SU (2).
Концепция симметрии как фактора, определяющего существование различных
групп и семейств Э. ч., в современной теории является доминирующей при
классификации адронов и других Э. ч. Предполагается, что внутренние
квантовые числа Э. ч., позволяющие выделять те или иные группы частиц,
связаны со специальными типами симметрий, возникающими за счёт свободы
преобразований в особых "внутренних" пространствах. Отсюда и происходит
название "внутренние квантовые числа".
Внимательное рассмотрение показывает, что странные и обычные адроны в
совокупности образуют более широкие объединения частиц с близкими
свойствами, чем изотопические мультиплеты. Они называются
супермультиплетами. Число частиц, входящих в наблюдаемые супермультиплеты,
равно 8 и 10. С точки зрения симметрий возникновение супермультиплетов
истолковывается как проявление существования у адронов группы симметрии
более широкой, чем группа SU (2), а именно: SU (3) - группы унитарных
преобразований в трёхмерном комплексном пространстве (М. Гелл-Ман и
независимо Ю. Нееман, 1961). Соответствующая симметрия получила назв.
унитарной симметрии. Группа SU (3)имеет, в частности, неприводимые
представления с числом компонент 8 и 10, отвечающие наблюдаемым
супермультиплетам: октету и декуплету. Примерами могут служить следующие
группы частиц с одинаковыми значениями J P:
Общими для всех частиц в супермультиплете являются значения двух величин,
которые по математической природе близки к изотопическому спину и поэтому
часто называются унитарным спином. Для октета значения связанных с этими
величинами квантовых чисел равны (1, 1), для декуплета - (3, 0).
Унитарная симметрия менее точная, чем изотопическая симметрия. В
соответствии с этим различие в массах частиц, входящих в октеты и
декуплеты, довольно значительно. По этой же причине разбиение адронов на
супермультиплеты сравнительно просто осуществляется для Э. ч. не очень
высоких масс. При больших массах, когда имеется много различных частиц с
близкими массами, это разбиение осуществляется менее надёжно. Однако в
свойствах Э. ч. имеется много разнообразных проявлений унитарной симметрии.
Включение в систематику Э. ч. очарованных адронов позволяет говорить о
сверхсупермультиплетах и о существовании ещё более широкой симметрии,
связанной с унитарной группой SU (4). Примеры до конца заполненных
сверхсупермультиплетов пока отсутствуют. SU (4)-симметрия нарушена ещё
сильнее, чем SU (3)-симметрия, и её проявления выражены слабее.
Обнаружение у адронов свойств симметрии, связанных с унитарными группами, и
закономерностей разбиения на мультиплеты, отвечающих строго определённым
представлениям указанных групп, явилось основой для вывода о существовании
у адронов особых структурных элементов - кварков.
