Світ елементарних частинок у поняттях симетрії

І тільки в 1947 р.  Пауел виявив,  що відкриті Андерсоном мюони самі є продуктом розпаду інших частинок з більшою масою, які назвали π - мезонами (піонами).  Піони - саме ті частинки, які передбачав Юкава. Їх маса ~ 273 mе, а час життя 2,5-10 -8с. Розпадаються вони на мюони і нейтрино. Крім заряджених (π+ і π- мезонів), існують і нейтральні π° -мезони із значно меншим часом життя (~ 10-10с). Всі піони мають спін, рівний нулю.

Цілковитою несподіванкою стало відкриття наприкінці сорокових і на початку п'ятидесятих років частинок з масою, яка перевищує масу нуклонів. Їх назвали гіперонами. Спочатку ці частинки було виявлено в космічних променях, а потім було утворено штучно в прискорювачах при взаємодії π-мезонів з нуклонами і взаємодії швидких нуклонів з нуклонами. Першим був відкритий т. зв. нейтральний Λ0 - гіперон (ламбда-нуль-гіперон). Важливим є народження Λ0 -гіперона у парі з К - мезоном (його маса ~960mе). Зокрема, при зіткненні   π -мезона з протоном утворюються дві нейтральні частинки Λ0 і К0.

У середині п'ятидесятих років з допомогою прискорювачів було відкрито гіперони Σ-, Σ0, Ξ, а також заряджені К- - мезони. Зауважимо, що гіперони завжди народжуються при взаємодії π - мезонів з нуклонами і розпадаються на π -мезони та нуклони. Усі ці частинки нестабільні. Маси спокою гіперонів мають проміжне значення від ~2183 mе (для Λ0- гіперона) до ~ 3278 mе (для омега-мінус-гіперона Ω-). Час життя гіперонів змінюється від 10-11 до 10-10с. Всі гіперони мають спін, рівний 1/2, за винятком Ω- -гіперона зі спіном, що дорівнює 3/2.

Каони розпадаються на ядерноактивні частинки піони, а час їх життя нагадує ядерно-пасивні мюони. Вони мають масу спокою 1000mе, бувають з обома зарядами та нейтральні.  Час життя заряджених каонів ~10-8 с,  нейтральних 10 -10 -10-8с. Всі каони мають нульовий спін і розпадаються, переважно, на піони і нейтрино.

У 1975 р. був відкритий τ-- лептон (тау-лептон). Паралельно було відкрито й спеціальне (таонне) нейтрино ντ. Цей τ- -лептон - масивна частинка, а τ-нейтрино електрично нейтральне. Існує кілька способів розпаду таона:  ,  .  Внаслідок дуже  великої маси  (~3500mе) таони нестійкі.

Про деякі основні характеристики елементарних частинок можна довідатися з табл.1.

 Взаємоперетворення  елементарних  частинок

Важливою особливістю частинок є їх спонтанний розпад, тобто нестабільність. Він відбувається за умови, коли маса спокою частинок, що розпадаються, більша за суму мас спокою новоутворених частинок. Час перебігів цих процесів розпаду в середньому 10-10—10-8 с. Це фактично час життя елементарних частинок, що має відношення до подібних розпадів. Частинки розпадаються без будь-яких впливів на них ззовні, самовільно. Виняток складають лише фотон, нейтрино, електрон і протон (також відповідні їм античастинки), які не розпадаються, стабільні.

Розпад елементарних частинок - це не розпад у буквальному розумінні слова на якісь складові частини. Це акт перетворення вихідної частинки на певну сукупність нових частинок. Так, коли β-частинка вилітає з ядра, то це зовсім не означає, що електрони входять до його складу. Навпаки, вони народжуються у момент розпаду нейтронів, що входять до складу β - радіоактивних ядер. Цей висновок підтверджується тим, що багато частинок можуть розпадатися різними способами.   Так,  додатний піон  може  розпадатися  двояко: π+→µ++νµ ( 99% випадків) і  π+ → е+ + νе. Отож, існує взаємоперетворення елементарних частинок, а не розчленування їх на складові частини.

Відкрито два типи нейтральних каонів ( КS  і  Кl ), які мають різний час життя. Нейтральний каон К0 може перетворюватися (при слабких взаємодіях) на свою античастинку  . Це рідкісний випадок взаємоперетворення (взаємозаміни) частинок у мікросвіті.

У  природі зустрічаються шість стабільних елементарних частинок, які практично  не  зазнають ніяких істотних видозмін.  Це фотон і три нейтрино (рухаються з швидкістю світла, їх маси спокою дорівнюють нулю) та електрон і протон з масами  спокою, не рівними нулю. В основі  їх стабільності лежать відповідні принципи симетрії, що пов'язані з певними законами збереження (див. нижче).

Типи взаємодій елементарних частинок

           Калібрувальні симетрії – це динамічні симетрії, або симетрії взаємодії. Взаємодії - це багатогранні зв'язки між частинками. Вони переважно локальні і пов’язані з різними видами взаємодії. Фізичні поля, де реалізуються калібрувальні системи, називаються калібрувальними полями. Це, передусім, гравітаційне і електромагнітне поля. Сюди відносять також сильні (ядерні) і слабкі (радіаційні) взаємодії. Першою калібрувальною у класичній фізиці стала теорія електромагнітного поля Дж. К. Максвелла. Світ елементарних частинок підпорядковується дещо іншим симетріям.

Розвиток ідей симетрії між нейтроном і протоном наштовхнув американського фізика С. Вайнберга і пакистанського А.Салама (1967-1968) до створення теорії електрослабкої взаємодії – калібрувальної теорії, що об’єднує слабку і електромагнітну взаємодії. Калібрувальні симетрії – це внутрішні симетрії. Вони характеризують взаємодію елементарних частинок і являють собою прояв поки що невідомої фізикам суперсиметрії. 

Коли в дослідах