Понятие "элементарная частица" сформировалось с установлением дискретного характера строения вещества на микроскопическом уровне.

Атомы → ядра → нуклоны → партоны (кварки и глюоны)

    В современной физике термин "элементарные частицы" употребляется для наименования большой группы мельчайших наблюдаемых частиц материи. Эта группа частиц весьма обширна: протоны р, нейтроны n, π- и K-мезоны, гипероны, очарованные частицы (J/ψ...) и множество резонансов (всего
~ 350 частиц). Эти частицы получили название "адроны".
    Выяснилось, что эти частицы не элементарны, а представляют собой составные системы, конституентами которых являются истинно элементарные или, как их стали называть, "фундаментальные" частицы − партоны, открытые при изучении структуры протона. Изучение свойств партонов позволило отождествить их с кварками и глюонами, введенными в рассмотрение Гелл-Манном и Цвейгом при классификации наблюдаемых элементарных частиц. Кварки оказались фермионами со спином J = 1/2. Им были приписаны дробные электрические заряды и барионное число В = 1/3 поскольку барион, у которого В = 1, состоит из трех кварков. Кроме того, для объяснения свойств некоторых барионов возникла необходимость введения нового квантового числа − цвета. Каждый кварк имеет три цветовых состояния, обозначаемые индексами 1, 2, 3 или словами красный (R), зеленый (G) и синий (В). Цвет никак не проявляет себя у наблюдаемых адронов и работает только внутри них.
    К настоящему времени открыто 6 ароматов (типов) кварков.
    В табл. 4 приведены свойства кварков для одного цветового состояния.

Таблица 4. Свойства кварков

    Для каждого аромата кварка указаны его масса (приводятся массы конституентных кварков и в скобках массы токовых кварков), изотопический спин I и 3-я проекция изотопического спина I₃, заряд кварка Q_q/e и квантовые числа s, с, b, t. Наряду с этими квантовыми числами часто используется квантовое число гиперзаряд Y = В + s + с + b+ t. Существует связь между проекцией изотопического спина I₃, электрического заряда Q и гиперзаряда Y: Q = I₃ + (1/2)Y.
    Поскольку каждый кварк имеет 3 цвета, в рассмотрении должны участвовать 18 кварков. Кварки не имеют структуры.
    Вместе с тем, среди элементарных частиц оказался целый класс частиц, получивших название "лептоны". Они также являются фундаментальными частицами, т.е. не имеют структуры. Их шесть: три заряженных е, μ, τ и три нейтральных ν_e, ν_μ, ν_τ. Лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Лептоны и кварки с полуцелым спином J = (n+1/2)ћ, n = 0, 1,... . относятся к фундаментальным фермионам. Наблюдается удивительная симметрия между лептонами и кварками: шесть лептонов и шесть кварков.
    В табл. 5 приведены свойства фундаментальных фермионов: электрический заряд Q_i в единицах заряда электрона и масса частиц m. Лептоны и кварки объединяются в три поколения (I, II и III). Для каждого поколения сумма электрических зарядов ∑Q_i = 0 с учетом 3 цветовых зарядов у каждого кварка. Каждому фермиону сответствует антифермион.
    Кроме характеристик частиц, указанных в таблице, важную роль для лептонов играют лептонные числа: электронное L_e, равное +1 для е^- и ν_e, мюонное L_μ, равное +1 для μ^- и ν_μ и таонное L_τ, равное +1 для τ^-и ν_τ, которые соответствуют ароматам лептонов, участвующих в конкретных реакциях, и являются сохраняющимися величинами. Для лептонов барионное число В = 0.

Таблица 5. Свойства фундаментальных фермионов

    Окружающее нас вещество состоит из фермионов первого поколения ненулевой массы. Влияние частиц второго и третьего поколений проявилось в ранней Вселенной. Среди фундаментальных частиц особую роль играют фундаментальные калибровочные бозоны, имеющие целочисленное внутреннее квантовое число спин J = nћ, n = 0, 1, .... Калибровочные бозоны ответственны за четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное (глюон g), электромагнитное (фотон γ), слабое (бозоны W^±, Z⁰), гравитационное (гравитон G). Они также являются бесструктурными, фундаментальными частицами.
    В табл. 6 приведены свойства фундаментальных бозонов, являющихся полевыми квантами в калибровочных теориях.

Таблица 6. Свойства фундаментальных бозонов

    Помимо свойств открытых калибровочных бозонов γ, W^±, Z⁰, g₁,... , g₈ в таблице показаны свойства неоткрытых пока бозонов: гравитона G и Хиггс-бозонов Н⁰, H^±.
    Рассмотрим теперь наиболее многочисленную группу элементарных сильновзаимодействующих частиц − адронов, для объяснения структуры которых было введено представление о кварках.
    Адроны подразделяются на мезоны и барионы. Мезоны построены из кварка и антикварка (q). Барионы состоят из трех кварков (q₁q₂q₃).
    В табл. 7 приводится перечень свойств основных адронов. (Подробные таблицы см. The European Physical Journal C, Rev. of Particle Phys., v.15, №1 - 4, 2000.)

Таблица 7. Свойства адронов

	Название	Масса, МэВ/с2	Время жизни, с	Моды распада	Кварковый состав
м е з о н ы	Пион         π± 1-(0-+)        π0	139.567 134.965	2.6·10-8 0.83·10-16	π± → μ± + ν π0 → γ + γ	(u), (d) (u − d)/√2
	η-мезон     η0 0+(0-+)	548.8	Г=1.18±0.11 кэВ	η0 → γ + γ; 3π0       →π+ + π-0 + π--	с1(u + d) + c2(s)
	Каон К±	493.667 497.67 497.67	1.237·10-8 0.892·10-10 5.183·10-8	К± → μ± + ν → π+ + π- → π0 + π-0 + π-0	(u), (s) (d) (d)
	D± D0	1869.3 1864.5	10.69·10-13 4.28·10-13	D± → е± + X D0 → е+ + X-	(c), (d) (c)
	F± =	1969.3	4.36·10-13	→ ρ0 + π±	(c, s)
	B± В0	5277.6 5279.4	13.1·10-13 13.1·10-13	B± → + π± В0 →+ π-0+	(u), (b) (d), (b)
б  а  р и о н ы	Протон    р Нейтрон  n	938.3 939.5	> 1033 лет 898 ±16	n → р + е-+	uud udd
	Λ	1115.6	2.63·10-10	Λ→p + π-	uds
	Σ+ Σ0 Σ-	1189.4 1192 1197	0.8·10-10 5.8·10-20 1.48·10-10	Σ+→p + π0 Σ0 → Λ+ γ Σ- →n + π-	uus uds dds
	Ξ0 Ξ-	1314.9 1321	2.9·10-10 1.64·10-10	Ξ0 → Λ+ π0 Ξ- → Λ + π-	uss dss
	Ω-	1672	0.8·10-10	Ω-→ Λ+ K-	sss
	Σс	2284.9 2455 2466 5624	0.2·10-12   0.3·10-12 1.22·10-12	Σс→+ π →Ξ-π+π+ → l-l	ucs usc dsc  udb

    Кварковая структура адронов позволяет выделить в этой многочисленной группе частиц нестранные адроны, которые состоят из нестранных кварков (и, d), странные адроны, в состав которых входит странный кварк s, чармированные адроны, содержащие с-кварк, прелестные адроны (боттом-адроны) с b-кварком.
    В таблице представлены свойства только незначительной части адронов: мезонов и барионов. Показаны их масса, время жизни, основные моды распада и кварковый состав. Для мезонов барионное число В = О и лептонное число L = 0. Для барионов барионное число В = 1, лептон-ное число L = 0. Мезоны относятся к бозонам (целый спин), барионы − к фермионам (спин полуцелый).
    Дальнейшее рассмотрение свойств адронов позволяет объединить их в изотопические мультиплеты, состоящие из частиц с одинаковыми квантовыми числами (барионным числом, спином, внутренней четностью, странностью) и близкими по значению массами, но с различными электрическими зарядами. Каждый изотопический мультиплет характеризуется изотопическим спином I, который определяет полное число частиц, входящих в мультиплет, равное 2I + 1. Изоспин может принимать значения 0, 1/2, 1, 3/2, 2, . .., т.е. возможно существование изотопических синглетов, дублетов, триплетов, квартетов и т.д. Так, протон и нейтрон составляют изотопический дублет, π⁺-, π^--, π⁰-мезоны рассматриваются как изотопический триплет.
    Более сложными объектами в микромире являются атомные ядра. Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Сумма Z + N = А − число нуклонов в данном изотопе. Часто в таблицах приводится усредненная по всем изотопам величина, тогда она становится дробной. Известны ядра, для которых указанные величины находятся в пределах: 1 < А < 289, 1 < Z < 116.
    Перечисленные выше частицы рассматриваются в рамках Стандартной Модели. Предполагается, что за пределами Стандартной Модели может существовать еще одна группа фундаментальных частиц − суперсимметричные частицы (SUSY). Они должны обеспечить симметрию между фермионами и бозонами. В табл. 8 приводятся предполагаемые свойства этой симметрии.

Таблица 8. Свойства суперсимметричных частиц

Частица	Спин J	Частица суперсимметричная	Спин J
Кварк q Лептон l	1/2 1/2	Скварк Слептон	0 0
Фотон γ Глюон g W±-бозон Z0-бозон Хиггс-бозон Н0,±	1 1 1 1 0	Фотино Глюино  Вино Ŵ± Зино 0 Хиггсино Ĥ	1/2 1/2 1/2 1/2 1/2

    Появляется новое квантовое число:

R = 3B + L + 2 J,

В − барионное число, L − лептонное число, J − спин.
    Для обычных частиц R = +1, для суперсимметричных частиц R = -1.
    До сих пор суперсимметричные частицы в экспериментах не обнаружены.

2.3. Полевой подход к проблеме взаимодействий

 2.3.1 Свойства фундаментальных взаимодействий

    Огромное многообразие физических явлений, происходящих при столкновениях элементарных частиц, определяется всего лишь четырьмя типами взаимодействий: электромагнитным, слабым, сильным и гравитационным. В квантовой теории взаимодействие описывается в терминах обмена специфическими квантами (бозонами), ассоциированными с данным типом взаимодействия.
    Для наглядного представления взаимодействия частиц американский физик Р. Фейнман предложил использовать диаграммы, которые получили его имя. Диаграммы Фейнмана описывают любой процесс взаимодействия при столкновении двух частиц. Каждая частица, участвующая в процессе, на диаграмме Фейнмана изображается линией. Свободный левый или правый конец линии обозначает нахождение частицы в начальном или конечном состоянии соответственно. Внутренние линии на диаграммах (т.е. линии, не имеющие свободных концов) соответствуют так называемым виртуальным частицам. Это частицы, рождающиеся и поглощающиеся в процессе взаимодействия. Их нельзя зарегистрировать, в отличие от реальных частиц. Взаимодействие частиц на диаграмме изображается узлами (или вершинами). Тип взаимодействия характеризуется константой связи α которая может быть записана в виде: α = g²/ћc, где g − заряд источника взаимодействия, а является основной количественнои характеристикой силы, действующей между частицами. В электромагнитном взаимодействии α_е = e²/ћc = 1/137.

Рис.6. Диаграмма Фейнмана.

    Процесс a + b →с + d в виде диаграммы Фейнмана (рис. 6) выглядит следующим образом: R − виртуальная частица, которой обмениваются частицы а и b при взаимодействии, определяемом константой взаимодействия α = g²/ћc, характеризующей силу взаимодействия на расстоянии, равном радиусу взаимодействия.
    Виртуальная частица может иметь массу М_х и при обмене этой частицей происходит передача 4-импульса t = −q² = Q².
    В табл. 9 представлены характеристики разных типов взаимодействий.

    Электромагнитные взаимодействия. Наиболее полно и последовательно изучены электромагнитные взаимодействия, которым подвержены все заряженные частицы и фотоны. Переносчиком взаимодействия является фотон. Для электромагнитных сил константа взаимодействия численно равна постоянной тонкой структуры  α_е = e²/ћc = 1/137.
    Примерами простейших электромагнитных процессов являются фотоэффект, комптон-эффект, образование электрон-позитронных пар, а для заряженных частиц − ионизационное рассеяние и тормозное излучение. Теория этих взаимодействий − квантовая электродинамика − является наиболее точной физической теорией.

    Слабые взаимодействия. Впервые слабые взаимодействия наблюдались при β-распаде атомных ядер. И, как оказалось, эти распады связаны с превращениями протона в нейтрон в ядре и обратно:
р → n + е⁺ + ν_e, n → р + е^- + _e. Возможны и обратные реакции: захват электрона е^- + р → n + ν_e или антинейтрино _e + р → е⁺ + n. Слабое взаимодействие было описано Энрико Ферми в 1934 г. в терминах четырехфермионного контактного взаимодействия, определяемого константой Ферми
G_F = 1.4·10^-49 эрг·см³.
    При очень высоких энергиях вместо фермиевского контактного взаимодействия слабое взаимодействие описывается как обменное, при котором осуществляется обмен квантом, наделенным слабым зарядом g_w (по аналогии с электрическим зарядом) и действующим между фермионами. Такие кванты были впервые обнаружены в 1983 г. на SppS-коллайдере (ЦЕРН) коллективом под руководством Карла Руббиа. Это заряженные бозоны − W^± и нейтральный бозон − Z⁰, их массы соответственно равны: m_W± = 80 ГэВ/с² и m_Z = 90 ГэВ/с². Константа взаимодействия α_W в этом случае выражается через константу Ферми:

 

Таблица 9. Основные типы взаимодействий и их характеристики

    Современное представление о физике частиц содержится в так называемой Стандартной Модели. Стандартная Модель физики частиц базируется на квантовой электродинамике, квантовой хромодинамике и кварк-партонной модели.
    Квантовая электродинамика (КЭД) − высокоточная теория − описывает процессы, происходящие под действием электромагнитных сил, которые изучены с высокой степенью точности.
    Квантовая хромодинамика (КХД), описывающая процессы сильных взаимодействий, строится по аналогии с КЭД, но в большей степени является полуэмпирической моделью.
    Кварк-партонная модель объединяет теоретические и экспериментальные результаты исследований свойств частиц и их взаимодействий.
    До сего времени не обнаружено отклонений от Стандартной Модели.

Основные положения Стандартной Модели.

• Адроны состоят из кварков и глюонов (партонов). Кварки − фермионы со спином 1/2 и массой m ≠ 0; глюоны − бозоны со спином 1 и массой m = 0.
• Кварки классифицируются по двум признакам: аромат и цвет. Известно 6 ароматов кварков и 3 цвета для каждого кварка.
• Аромат − характеристика, сохраняющаяся в сильных взаимодействиях.
• Глюон составлен из двух цветов − цвета и антицвета, а все остальные квантовые числа у него равны нулю. При испускании глюона кварк меняет цвет, но не аромат. Всего работает 8 глюонов.
• Элементарные процессы в КХД строятся по аналогии с КЭД: тормозное испускание глюона кварком, рождение кварк-антикварковых пар глюоном. Процесс рождения глюонов глюоном не имеет аналога в КЭД.
• Статическое глюонное поле не стремится к нулю на бесконечности, т.е. полная энергия такого поля бесконечна. Таким образом, кварки не могут вылетать из адронов, имеет место конфайнмент.
• Между кварками действуют силы притяжения, имеющие два необычных свойства: а) асимптотическую свободу на очень малых расстояниях и б) инфракрасное пленение − конфайнмент, благодаря тому, что потенциальная энергия взаимодействия V(r) неограниченно растет с увеличением расстояния между кварками.
• Кварк-кварковое взаимодействие не аддитивно.
• В виде свободных частиц могут существовать только цветовые синглеты:
  мезонный синглет, для которого волновая функция определяется соотношением

• Различают токовые и составляющие кварки, которые имеют разные массы.
• Сечения процесса А + В = С + X с обменом одним глюоном между кварками, входящими в состав адронов, записываются в виде:

ŝ = x_ax_bs, = x_at/x_c.

Символами а, 6, c, d обозначены кварки и относящиеся к ним переменные, символами А, В, С − адроны, ŝ, , , − величины, относящиеся к кваркам, − функция распределения кварков в адроне А (или, соответственно, в адроне В), − функцияфрагментации кварка в адроны, d/d − элементарное сечение qq взаимодействия.
    При существующих энергиях ускоренных частиц хорошо выполняются все положения КХД и тем более КЭД (положения электрослабой теории). В планирующихся экспериментах с более высокими энергиями частиц одной из главных задач считается поиск отклонений от Стандартной Модели.

    Дальнейшее развитие физики высоких энергий связано с решением следующих задач.

1. Поиск экзотических частиц, имеющих структуру, отличную от принятой в Стандартной Модели.
2. Изучение нейтринных осцилляции ν_μ ↔ ν_τ и связанная с этим проблема массы нейтрино
   {m_ν ≠ 0).
3. Поиск распада протона, время жизни которого оценивается величиной τ_p > 10³³ лет.
4. Поиск структуры фундаментальных частиц (преоны при расстояниях d < 10^-16 см).
5. Обнаружение нарушения СР-инвариантности при распаде нейтральных K-мезонов, D-частиц и B-мезонов, а также при изучении электрического дипольного момента нейтрона.
6. Создание деконфайнмированной адронной материи (кварк-глюонной плазмы).
7. Изучение природы темной материи.
8. Изучение структуры вакуума.
9. Поиск Хиггс-бозона.
10. Поиск суперсимметричных частиц и любых других проявлений, не описываемых СМ.

2.6. Кинематика