Структурная организация микромира

Все элементарные частицы можно объединить в четыре группы: 1) тяжелые частицы или барионы, 2) мезоны, 3) легкие частицы или лептоны, 4) фотоны (табл. 2.3.1).

Для сильных взаимодействий, в которых участвуют барионы и мезоны характерно явление резонанса, когда барионы и мезоны связываются в одно цельное образование, но время его жизни столь мало, что они тут же распадаются. Резонансы частиц возникают в результате ангиляции. Ангиляция – это превращение частицы и античастицы при их столкновении в другие частицы (пионы, фотоны, мезоны больших энергий). Частицы могут объединяться, хотя и на очень короткое время, создавая более сложные и исключительно неустойчивые образования. Вещество существует миллиарды лет. Это значит, что составляющие его электроны, протоны и нейтроны стабильны.

Электрон – самая легкая частица, имеющая электрический заряд. На основании закона сохранения электрического заряда, он не может превратиться в частицу, не имеющую электрического заряда. Заряженных частиц с массой меньше электрона нет. Этим и определяется его стабильность.

Одного принципа сохранения электрического заряда недостаточно для объяснения стабильности протона. Действительно, этот принцип не мешает протону превратиться, например, в позитрон, имеющий тот же заряд, но меньшую массу, освободив при этом значительную энергию: электрический заряд до и после превращения имел бы то же самое значение и тот же самый знак (положительный). Этот принцип также совсем не запрещает протону аннигилировать при встрече с электроном, электрический заряд которого имеет то же значение, но противоположный знак. Поскольку ничего подобного не происходит, следует, как обычно, предположить, что здесь играет запрещающую роль какой-то другой принцип сохранения.

Поэтому полагают, что кроме электрического заряда, существует совсем другой тип заряда, названный барионным, характеризующий все тяжелые частицы, барионы, и только для них отличный от нуля. Кроме того, протон является самой легкой частицей, имеющей барионный заряд и подчиняющийся принципу сохранения барионного заряда.

Следовательно, подобно тому, как стабильность электрона обусловлена тем, что электрон - самая легкая частица с отличным от нуля электрическим зарядом, так и стабильность протона обусловлена тем, что он является самой легкой частицей с отличным от нуля барионным зарядом. Протон не может превратиться в позитрон, излучив энергию, потому что такое событие противоречило бы принципу сохранения барионного заряда. В самом деле, начальный барионный заряд отличен от нуля, а позитрон и фотон не имеют баряонного заряда. Протон не может аннигилировать, встретив электрон, с полным превращением массы в энергию, поскольку в таком процессе не сохранился бы барионный заряд: до аннигиляции он отличался бы от нуля, а после аннигиляции был бы равен нулю.

Вот почему протоны стабильны. По этой же причине и нейтроны, будучи свободными, нестабильны (среднее время их жизни составляет около 18 мин), а будучи связанными с протонами в ядре - стабильны.

Только в некоторых атомных ядрах радиоактивных веществ нейтроны спонтанно превращаются в протоны, испуская электроны и антинейтрино. Это говорит о том, что нейтрон должен иметь одинаковый с протоном барионный заряд, потому что электрон и нейтрино имеют барионный заряд, равный нулю.

В свою очередь, антибарионы (антипротон, антинейтрон и т.п.) всегда имеют барионный заряд, противоположный по знаку барионному заряду соответствующих частиц. Таким образом, закон сохранения барионного заряда автоматически требует, чтобы антибарионы могли получаться только в паре с барионами.

Итак, введение новой физической величины - барионного заряда, подобно электрическому заряду подчиняющегося своему принципу сохранения, позволяет объяснить стабильность протонов и нейтронов, тогда как принцип сохранения электрического заряда объясняет стабильность электронов. Три частицы - электрон, протон и нейтрон - представляют собой «кирпичи», из которых сложено все вещество, и могут существовать, не подвергаясь превращениям, поскольку соблюдаются принципы сохранения электрического и барионного зарядов.

Однако только эти частицы стабильны (нейтрон стабилен, лишь будучи связанным в ядре). Существуют и другие частицы, но они более тяжелы, чем протон, и почти сразу же после своего образования превращаются в протоны и нейтроны; при этом возникают легкие частицы, а излишек массы выделяется в виде энергии. Они превращаются в те или другие стабильные частицы в соответствии с величиной и знаком их электрического заряда и барионного заряда, т.е. в соответствии с тем, что позволяют им принципы сохранения.