Элементарные частицы
Элементарными частицами называются мельчайшие известные в настоящее время частицы материи. В микромире выделяются три уровня, различающиеся характерными масштабами:
- первый – молекулярно-атомный 
;
- второй – ядерный 
;
- третий – элементарные частицы.
Физика элементарных частиц устанавливает характеристики элементарных частиц, проводит их классификацию, изучает их свойства. Поскольку согласно соотношению неопределенностей 
, то для определения структуры элементарных частиц необходимы зондирующие частицы с большой энергией, для которых 
. Максимальные доступные энергии сейчас 1000 ГэВ, чему соответствует расстояния R ~ 10-19 м.
Число элементарных частиц вместе с античастицами, которые известны сейчас, свыше 400. Некоторые из них стабильны (или квазистабильны) и существуют в свободном состоянии. К ним относятся:
Все остальные элементарные частицы нестабильны.
В 1937 году в космических лучах был открыт мюон 
или мю-мезон – тяжелый аналог электрона (
). В 40-х годах XX века были открыты пионы (пи-мезоны) 
– переносчики ядерного взаимодействия. В 50-х годах XX века в космических лучах и на ускорителях были зарегистрированы странные частицы: каоны (ка-мезоны) 
; лямбда-гипероны 
; сигма-гипероны 
; кси-гипероны 
; омега-гиперон 
. В 60-е годы XX столетия были открыты более 100 короткоживущих частиц с временами жизни 
, которые были названы резонансами.
В 1974 году обнаружены массивные (втрое тяжелея протона), но относительно устойчивые (
) джи-пси-мезоны 
, которыми была открыта группа очарованных частиц (
и др.).
В 1977 году открыты тяжелые ипсилон-мезоны 
(
), которые являются, возможно, новой группы прелестных частиц.
В 1983 году зарегистрированы промежуточные бозоны 
– переносчики слабого взаимодействия.
Свойства отдельных элементарных частиц описываются рядом физических величин, которые называют квантовыми числами. Значениями этих чисел частицы и различаются. Наиболее известны:
- масса m, которая измеряется в энергетических единицах в соответствии с соотношением Эйнштейна 
; масса элементарных частиц изменяется от 0 (фотон) до 90 ГэВ (промежуточные бозоны);
- среднее время жизни 
является мерой стабильности частицы и измеряется в секундах; для фотонов, нейтрино, электронов и протонов 
; для резонансов ;
- спин J – собственный момент импульса частицы, измеряемый в единицах 
и принимающий целые и полуцелые значения; для известных частиц значение спина J лежит в пределе от 0 (пионы) до 
(резонансы);
- электрический заряд q, который измеряется в единицах элементарного заряда е; для всех частиц в свободном состоянии q принимает лишь целочисленные значения 0 и 
; для некоторых резонансов 
;
- магнитный момент 
– максимальное значение проекции вектора собственного магнитного момента 
частицы; магнитные моменты элементарных частиц измеряют обычно в магнетонах 
; если 
, то 
– магнетон Бора 
; если 
, то получаем ядерный магнетон 
.
У каждой частицы имеется античастица, которые в отличие от частиц обычно в обозначении включают тильду (волну). Например:
электрон 
и позитрон 
;
протон 
и антипротон 
;
нейтрон 
и антинейтрон 
;
нейтрино 
и антинейтрино 
.
Массы, времена жизни и спины частиц и античастиц одинаковы. Остальные характеристики равны по модулю, но противоположны по знаку.
Некоторые частицы, называемые истинно нейтральными, тождественны своим античастицам: фотон, нейтральный пион 
и некоторые другие.
Первая античастица – позитрон была зарегистрирована впервые в 1932 году. Часто позитрон образуется вместе с электроном при соударении фотона с частицей:
.
Встречаясь друг с другом, медленные электрон и позитрон аннигилируют, порождая два фотона:
.