Вводные замечания. Терминология

В физике фундаментальных частиц за единицу энергии принят электрон-вольт (эВ): энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов 1 вольт. Миллион эВ (106эВ) обозначается как МэВ. Тысяча МэВ обозначается как ГэВ – гигаэлектрон-вольт. Тысяча ГэВ обозначается как ТэВ = 1 012эВ (тераэлектрон-вольт). Примеры: энергия теплового движения атомов и молекул при комнатной температуре составляет ?0,02 эВ; энергия кванта света ?0,5 эВ; энергия излучения радиоактивных веществ ?0,1–8 МэВ. Электроны в рентгеновском аппарате имеют энергию ?0,1 МэВ. Для исследования ядер и субъядерных частиц необходимы ускорители с энергией пучка частиц выше 100 МэВ. Высокая энергия необходима также для поиска и исследования тяжёлых частиц. Например, для образования пары протон – антипротон затрата составляет около 2 ГэВ.

Элементарные частицы материи делятся на три класса: адроны, лептоны и переносчики (медиаторы) взаимодействия. Известны четыре типа взаимодействий частиц: сильное (ядерное), слабое, электромагнитное и гравитационное. Адроны (тяжёлые частицы) участвуют во всех взаимодействиях. Лептоны (лёгкие частицы) не обладают сильным взаимодействием. Заряженные частицы участвуют в электромагнитном взаимодействии. Адроны – это протон, нейтрон, мезон и др. Все они могут находиться в возбуждённом нестабильном состоянии. Протоны, нейтроны и их возбуждённые состояния называются барионами. Известны около 600 особей адронов. Характерный радиус адрона ? 1 фм = 10–13 см. Атомные ядра лёгких химических элементов (углерод, алюминий) имеют радиус 3–4 фм. Тяжёлые ядра (свинец, уран) имеют радиус ? 6 фм.

Известны три заряженных лептона: электрон, мюон и тауон. К лептонам также относятся три типа нейтрино. Лептоны при взаимодействии друг с другом ведут себя как точечные объекты. Верхняя граница их радиуса оценивается как <10–3 фм.

Все частицы имеют свои античастицы. Они отличаются от частиц противоположным знаком квантовых чисел. Например, протон имеет положительный электрический заряд, а антипротон заряжен отрицательно.

Рис. 1. Портрет протона (и других адронов). Протон имеет кварковый состав (uud). Он содержит валентные кварки, морские кварки и глюоны. Валентные кварки определяют квантовые числа протона: заряд, барионное число и др.

Обилие открытых и вновь открываемых адронов навела учёных на мысль, что все они построены из каких-то других, более фундаментальных, частиц. В средине 70-х годов прошлого века экспериментально и теоретически были открыты структурные элементы (конституенты) адронов. Они получили название кварки. Известны шесть типов кварков. Их обозначают латинскими буквами: u, d, s, c, b, t – верхний, нижний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Разные комбинации кварков воспроизводят все адроны. Барионы строятся из трёх кварков, а мезоны из кварка и антикварка. Соответственно кварковому составу адроны образуют классы частиц: обычные (u и d кварки), странные, очарованные и прелестные. Взаимодействие кварков осуществляют частицы, получившие название глюоны – от английского слова glue. На рис. 1 представлена качественная (наглядная) картина структуры протона. Валентные кварки u, u, d связаны глюонами (пружины). Глюоны на короткое время образуют пары кварк – антикварк. Всё это называется морем. Масса протона в основном определяется морскими кварками и глюонами. Таким образом, масса окружающего нас вещества на 99 % порождается движением морских частиц в протонах и нейтронах (E = mc2).

Представленная здесь концепция структуры материи называется стандартной моделью (СМ).

Излагаемый ниже материал и ссылки на первоисточники частично представлены в публикациях:

Никитин В. А. Исследования на синхрофазотроне. УФН (Успехи физических наук). Т. 177. Вып. 8 (август). С. 905 (2007 г.).

Матвеев В. А. ОИЯИ – инициатор будущих открытий. УФН. Т. 186. Вып. 3 (март). С. 225 (2016 г.).

Агапов Н. Н., Никитин В. А. и др. Релятивистская ядерная физика в ОИЯИ: от синхрофазотрона к коллайдеру NIKA. УФН. Т. 186. Вып. 4 (апрель). С. 405 (2016 г.).