Світ елементарних частинок у поняттях симетрії

2.Поява в природі ферміонів і бозонів пов'язана не з силовими взаємодіями, а з симетрією відносно перестановок частинок одного й того самого типу,  зокрема  двох електронів. Це   перестановна  симетрія.  Вона засвідчує, що фізично ніщо не зміниться, якщо дві будь-які частинки в природі (елементарні чи навіть атоми) поміняти місцями. Така симетрія означає, що всі  частинки Всесвіту цілком тотожні одна одній. З іншого боку, перестановна симетрія веде до того, що всі частинки в природі поділяються на дві групи – з різними правилами поведінки в колективі. Так, електрони нібито уникають один одного. Правила (принцип заборони Паулі), що діють у їхній групі, дозволяють їм (взагалі  ферміонам)  заповнювати стани  тільки  по  одинці.  На  одному енергетичному рівні  може  перебувати   не   більше  одного   ферміона  з  даною проекцією  спіну. Цим   пояснюється той  специфічний  факт,  що  електрони  не розташовуються усі на самому низькому енергетичному рівні атома (тоді б зникла різноманітність елементів у природі). Зі зростанням заряду ядра заповнюють все  віддаленіші від ядра оболонки,  формуючи цим таблицю  Д.І.Менделєєва.

У таборі бозонів діють цілком протилежні правила, які не тільки дозволяють, але навіть  "рекомендують" однотипним  частинкам масово заповнювати  той самий квантовий стан.  Ця властивість  бозонів служить причиною надтекучості гелію (спін  його  атома нульовий)  і лежить  в  основі роботи лазера.

3.Поклавши в основу класифікації лептонний і баріонний заряди, які зберігаються завжди, основну масу елементарних частинок розділимо на такі групи:

1)Фотони - кванти електромагнітного поля.

2) Лептони. Слово "лептон" (із грецької легкий) було введено в 1948 році Л.Резенфельдом для позначення будь-якого ферміона невеликої маси. Це відносно легкі частинки, хоча маси електрона й мюона дуже відрізняються одна від одної. Вони зовсім не беруть участі в сильних взаємодіях, їх спін півцілий. На сьогодні відкрито шість заряджених лептонів: електрон, позитрон, два мюони ( ), два таони ( ) і шість відповідних їм нейтральних частинок: електронне нейтрино  νe й антинейтрино  , мюонне нейтрино νμ  й антинейтрино    таонне нейтрино ντ  й антинейтрино  . Нейтральні нейтрино не беруть участі і в електромагнітних взаємодіях.  У лептонів не виявлено   внутрішньої   структури.  Це справді елементарні частинки.

3)Мезони - кванти ядерного поля. Їх лептонні і баріонні заряди дорівнюють нулю. Мезони беруть участь у сильних взаємодіях. Вони мають маси, проміжні між масами електрона й протона.

4)Баріони. Їх маси не бувають меншими за маси нуклонів. Якщо всі мезони - бозони, то баріони - ферміони.

За рекомендацією радянського фізика Л.Б.Окуня (1962) мезони й баріони об'єднали в одну групу - адронів. Усі адрони проявляють активність у сильній взаємодії.

Фотони є переносниками електромагнітної взаємодії, а споріднені з ними W± - і Z0-бозони - переносники слабкої взаємодії. Ці чотири частинки складають групу переносників взаємодій. Сюди відносять також глюони й гравітони.

В останній час відкрита ще одна група однорідних частинок, час життя яких має порядок 10-22-10-23с. Завдяки способу їх виявлення ці частинки дістали назву резонансів. Першу частинку - резонанс було відкрито при дослідженні розсіяння π+-мезонів протонами. Виявилося, що залежність перерізу розсіювання від енергії π-мезона нагадує собою резонансну криву. Резонанс у розсіюванні пов'язаний з тим, що при резонансній енергії розсіяння іде в два етапи: створення з (π; р)  проміжної складової, яка розпадається. Цим новим короткочасним квазіпов’язаним станам ( π; р) можна приписати певну масу, спін, заряд, ізоспін, тобто розглядати як   частинку – резонанс. Мабуть, це  утворенння   являє  собою   нуклон   у збудженому стані подібно тому, як атом після поглинання кванта переходить у збуджений стан. Звичайно, маса резонансів перевищує масу протона і дорівнює сумі мас протона , π+ -мезона з врахуванням кінетичної енергії π-мезона.

Систематизуючи  елементарні   частинки, кожну з них слід   розглядати ізольовано, при відсутності будь-яких взаємодій з іншими частинками, тобто оточення  частинок повинне бути найсиметричнішим.

Існуюча класифікація елементарних частинок була запроваджена незалежно Гелл-Манном і Нишиджимою в 1955 році. Як вже згадувалося, вони ввели нову характеристику сильно взаємодіючих частинок - дивність S. Надалі, крім S, було запроваджено ще одне квантове число Y , яке дістало назву гіперзаряду й визначається співвідношенням Y = В + S. Легко впевнитися, що гіперзаряд  пов’язаний з електричним зарядовим числом Q (відношення заряду частинки до величини заряду електрона) таким простим співвідношенням:

Числові значення характеристик елементарних частинок зведені в табл.1.

Унітарна симетрія

Запровадження квантового числа І (ізотопічного спіну) дозволило об'єднати частинки в зарядові мультиплети. Розширення схеми ізотопічного спіну привело Гелл-Манна і Ю.Неймана до створення в 1961р. теорії унітарної симетрії елементарних частинок.

Про цей вид симетрії заговорили після відкриття гіперонів та К-мезонів. Було помічено, що частинки, які відрізняються проекціями ізоспіну І і утворюють ізотопочні дублети (р або n) чи триплети (Σ±, Σ0  або π±, π0), мають майже рівні маси. Різниця мас у дублетах і триплетах відносно невелика і пояснюється відмінністю їх електромагнітних властивостей.

Основна ідея унітарної