Элементарные частицы

Элементарными называют частицы, у которых на данный момент не обнаружено внутренней структуры. Еще в прошлом веке элементарными частицами считались атомы. Их внутренняя структура — ядра и электроны — была обнаружена в начале XX в. в опытах Э. Резерфорда. Размер атомов — около 10 -8 см,  ядер — в десятки тысяч раз меньше, а размер электронов совсем мал. Он меньше чем 10 -16 см, как это следует из современных теорий и экспериментов.

   Таким образом, сейчас электрон — элементарная частица. Что касается ядер, то их внутренняя структура обнаружилась вскоре после их открытия. Они состоят из нуклонов — протонов и нейтронов. Ядра довольно плотные: среднее расстояние между нуклонами всего в несколько раз больше их собственного размера. Для того чтобы выяснить, из чего состоят нуклоны, понадобилось около полувека, правда, при этом заодно появились и были разрешены и другие загадки природы.

   Нуклоны состоят из трех кварков, которые элементарны с той же точностью, что и электрон, т. е. их радиус меньше 10-16 см. Радиус нуклонов — размер области, занимаемой кварками, — около 10-13см. Нуклоны принадлежат к большому семейству частиц — барионов, составленных из трех различных (или одинаковых) кварков. Кварки могут по-разному связываться в тройки, и это определяет различия в свойствах бариона, например, он может иметь различный спин.

   Кроме того, кварки могут соединяться в пары - мезоны, состоящие из кварка и антикварка. Спин мезонов принимает целые значения, в то время как для барионов он принимает полуцелые значения. Вместе барионы и мезоны называются адронами.

    В свободном виде кварки не найдены, и согласно принятым в настоящее время представлениям они могут существовать только в виде адронов. До открытия кварков некоторое время адроны считались элементарными частицами (и такое их название еще довольно часто встречается в литературе).

Первым экспериментальным указанием на составную структуру адронов были опыты по рассеянию электронов на протонах на линейном ускорителе в Станфорде (США), которые можно было объяснить, лишь предположив наличие внутри протона каких-то точечных объектов.

    Вскоре стало ясно, что это — кварки, существование которых предполагалось еще ранее теоретиками.

Здесь представлена таблица современных элементарных частиц. Кроме шести видов кварков (в опытах пока проявляются только пять, но теоретики предполагают, что есть и шестой) в этой таблице приведены лептоны — частицы, к семье которых принадлежит и электрон. Еще в этой семье обнаружены мюон и (совсем недавно) -лептон. У каждого из них есть свое нейтрино, так что лептоны естественным образом разбиваются на три пары е, е; , ;, .

Каждая из этих пар объединяется с соответствующей парой кварков в четверку, которая называется поколением. Свойства частиц повторяются из поколения в поколение, как это видно из таблицы. Отличаются лишь массы. Второе поколение тяжелее первого, а третье поколение тяжелее второго.

В природе встречаются в основном частицы первого поколения, а остальные создаются искусственно на ускорителях заряженных частиц или при взаимодействии космических лучей в атмосфере.

Кроме имеющих спин 1/2 кварков и лептонов, вместе называемых частицами вещества, в таблице приведены частицы со спином 1. Это кванты полей, создаваемых частицами вещества. Из них наиболее известная частица — фотон, квант электромагнитного поля.

Так называемые промежуточные бозоны W+ и W- , обладающие очень большими массами, были недавно обнаружены в экспериментах на встречных р-пучках при энергиях в несколько сотен ГэВ. Это переносчики слабых взаимодействий между кварками и лептонами. И наконец, глюоны — переносчики сильных взаимодействий между кварками. Как и сами кварки, глюоны не обнаружены в свободном виде, но  проявляются   на   промежуточных   стадиях реакций   рождения   и   уничтожения   адронов. Недавно были зарегистрированы струи адронов, порожденные глюонами. Поскольку все предсказания теории кварков и глюонов —  квантовой хромодинамики — сходятся с опытом, почти нет сомнений в существовании глюонов.

Частица со спином 2 — это гравитон. Его существование вытекает из теории тяготения Эйнштейна, принципов квантовой механики и теории относительности. Обнаружить гравитон экспериментально будет чрезвычайно трудно, поскольку он очень слабо взаимодействует с веществом.

Наконец, в таблице со знаком вопроса приведены частицы со спином 0 (Н-мезоны) и 3/2  (гравитино); они не обнаружены на опыте, но их существование предполагается во многих современных теоретических моделях.

























Элементарные частицы

спин

0?

1/2

1

3/2

2?

название

Частицы

 Хиггса

Частицы вещества

Кванты полей





кварки

лептоны

фотон

векторные бозоны

глюон

гравитино

гравитон

символ

H

u

d

e

e



Z

W

g





(масса)

(?)





(?)

(0,5)

(0)

(~95Гэв)

(~80Гэв)



(?)

(?)

символ



с

s







(масса)







(0?)

(106)



символ



t

b







(масса)







(0?)

(1784)



Барионный

 заряд

0

1/3

1/3

0

0

0

0

0

0

0

0

Электрический 

заряд

0, 1

2/3

1/3

0

-1

0

0

1

0

0

0

цвет

-

3

3

-

-

-

-

-

8

-

-









Адроны — общее название для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы — мезоны и барионы.

  Барионы (от   греческого   слова,   означающего «тяжелый») — это адроны с полуцелым спином . Самые известные барионы — протон и нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда-то странностью. Единицей странности обладают барион лямбда (°)  и семейство барионов сигма (-, + и °). Индексы +, - ,0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обладают барионы кси (- и °). Барион - имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10-10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микромира это не так. Такая частица, даже двигаясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой скорости, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оставить свой след в детекторе элементарных частиц. Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антибарионов.

  Протон — стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода. Трудно сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906—1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона, подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах -частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.

    Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10-24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом  -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами — глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ~ 10-13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.

    Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные  взаимодействия  связывают  протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия — протоны   и   электроны   в   атомах. Примерами слабых взаимодействий могут служить   бета-распад   нейтрона   или   внутриядерное   превращение   протона   в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (для свободного протона такой процесс невозможен в силу закона сохранения  и  превращения энергии, так  как нейтрон   имеет   несколько   большую   массу). Спин  протона  равен   1/2.  Адроны  с  полуцелым спином называются барионами ( от греческого  слова,  означающего  «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, различные гипероны (, , , ) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число —  барионный  заряд, равный 1 для барионов, - 1 — для    антибарионов    и    О — для   всех   прочих частиц.  Барионный заряд не является источником барионного поля , он введен лишь для  описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях   с   частицами.   Эти   закономерности выражаются   в   виде   закона   сохранения    барионного    заряда:    разность между   числом   барионов   и   антибарионов   в системе сохраняется в любых реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным   распад  протона,   ибо  он  легчайший   из барионов. Этот закон носит эмпирический характер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда  характеризуется  стабильностью   протона,   экспериментальная   оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.

В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барионного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной ( ~ 21010 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физики. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 1030  протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всего лишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.



    Нейтрон — нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона qn равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в сильных электрических полях, показавшими, что |qn| <10-20e (здесь е — элементарный электрический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 210-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.

Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом  - 1/3, связанных между собой глюонным полем.

    Нейтроны устойчивы лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон — нестабильная частица, распадающаяся на протон (р), электрон (е-) и электронное антинейтрино. Время жизни нейтрона составляет (917 14) с, т. е. около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше вследствие сильного поглощения их ядрами. Поэтому они возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций.

    По энергетическому балансу различных ядерных реакций определена величина разности масс нейтрона и протона: mn-mp(1,29344 ±0,00007) МэВ. Из сопоставления ее с массой протона получим массу нейтрона: mn = 939,5731 ± 0,0027 МэВ; это соответствует mn  ~ 1,6-10-24 . 

 Нейтрон участвует во всех видах фундаментальных   взаимодействий. Сильные взаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого  взаимодействия — бета-распад  нейтрона.

  Участвует ли эта нейтральная частица в электромагнитных    взаимодействиях?     Нейтрон     обладает  внутренней  структурой,   и  в   нем   при  общей нейтральности существуют электрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона   магнитного   момента. Иными словами, в магнитном поле нейтрон ведет себя подобно стрелке компаса. Это лишь один из примеров его электромагнитного взаимодействия. Большой интерес приобрели поиски дипольного   электрического   момента   нейтрона,   для  которого   была   получена   верхняя   граница.   Здесь  самые   эффективные опыты удалось поставить ученым Ленинградского института  ядерной  физики  АН  СССР;         поиски дипольного момента нейтронов важны для понимания механизмов нарушения инвариантности относительно обращения времени в микропроцессах.        

   Гравитационные взаимодействия  нейтронов  наблюдались непосредственно по их падению в поле тяготения Земли. 

    Сейчас принята условная классификация   нейтронов по их кинетической энергии: 

медленные  нейтроны   (<105эВ, есть много     их     разновидностей), быстрые нейтроны      (105108эВ),  высокоэнергичные   (> 108эВ). Весьма интересными свойствами  обладают очень медленные нейтроны   

 (10-7эВ),  которые получили  название ультрахолодных.     Оказалось, что  ультрахолодные нейтроны можно накапливать в «магнитных ловушках» и даже ориентировать там   их  спины   в  определенном   направлении. С   помощью   магнитных   полей   специальной конфигурации ультрахолодные нейтроны  изолируются   от   поглощающих   стенок   и   могут  «жить» в ловушке,  пока  не распадутся. Это позволяет  проводить многие тонкие  эксперименты по изучению свойств нейтронов. Другой    метод    хранения    ультрахолодных  нейтронов основан на их волновых свойствах. Такие нейтроны можно просто хранить в замкнутой «банке». Эта идея была высказана советским   физиком   Я.   Б.   Зельдовичем   в   конце           1950-х   гг.,   и   первые  результаты  были   получены в Дубне в  институте ядерных исследований спустя  почти десятилетие. 

  Недавно ученым удалось построить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живут до своего естественного распада. 

  Свободные нейтроны способны активно  взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. В результате взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно  наблюдать резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. п. Благодаря этим своим особенностям нейтроны широко используются в ядерной физике и физике твердого тела. Они играют важную роль в ядерной энергетике, в производстве трансурановых элементов и  радиоактивных изотопов, находят практическое применение в химическом  анализе  и  в  геологической  разведке.   









  Мезоны — адроны с целым спином  Название произошло от греческого слова, означающего «средний, промежуточный», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Легчайшие из мезонов — пионы, или пи-мезоны -,+ и °. Их массы примерно в 6—7 раз меньше массы протона..  Более массивны странные мезоны — каоны K+, К- и  К°. Их массы почти в два раза меньше массы протона. Характерное время жизни этих мезонов — 10-8 с.

         

      

       Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма—минус - имеет античастицу антисигма—плюс `+, которая отлична от + . То же самое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколько иначе: отрицательный пион — античастица положительного пиона, а нейтральный пион античастицы вообще не имеет, поскольку является античастицей сам себе. В то же время нейтральный каон   K° имеет античастицу К`°. Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов.

       Мир адронов огромен — он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабильны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка 10–23c. Это — характерное время сильных взаимодействий; за столь короткий интервал даже свет успевает пройти расстояние, равное всего лишь радиусу протона (10-13 см). Ясно, что столь короткоживущие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рождение обнаруживают то косвенным признакам. Например, изучают реакцию аннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения электронов и позитронов, обнаруживают, что при каком-то значении энергии выход адронов вдруг резко увеличивается. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица, масса которой равна соответствующей энергии (с точностью до множителя с2). Эта частица мгновенно распадется на другие адроны, и единственным следом ее появления остается пик на графике зависимости вероятности рождения адронов от энергии столкновения.

       Такие короткоживущие частицы называют резонансами. Большинство барионов и мезонов — резонансы. Они не оставляют «автографов» в камерах и на фотографиях, и все же физикам удается изучать их свойства: определять массу, время жизни, спин, четность, способы распада и т. п.

По современным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами. Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трех кварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и всегда отличен от бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в состав которых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметь античастиц. Кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. В принципе теория допускает существование других адронов, построенных из большего числа кварков или, наоборот, из одного глюонного поля. В последнее время появились некоторые экспериментальные данные о возможном существовании таких гипотетических частиц. Динамическая теория кварков, описывающая их взаимодействия, стала развиваться относительно недавно. Первоначально кварковая модель была предложена для «наведения порядка» в слишком многочисленном семействе адронов. Эта модель включала кварки трех видов, или, как принято говорить, ароматов. С помощью кварков удалось навести порядок в многочисленном семействе адронов, распределив их в группы частиц, называемые мультиплетами. Частицы одного мультиплета имеют близкие массы, но не только это послужило основой их классификации; кроме опытных данных в этом случае использовали специальный математический аппарат теории групп.

	       В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описания всех адронов. В 1974 г. были открыты так называемые пси-мезоны, состоящие из кварка и антикварка нового вида (сс). Этот аромат был назван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался гораздо тяжелее своих «собратьев»: легчайшая из пси-частиц — мезон J/ — имеет массу 3097 МэВ, т. е. в 3 раза тяжелее протона. Время ее жизни около 10 -20с. Было открыто целое семейство пси-мезонов с тем же кварковым составом  cc , но находящихся в возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих большие массы. 





  

 Лептоны — группа частиц, не участвующих в 1 сильном взаимодействии (название происходит от греческого слова «лептос» — «легкий»).

   Все лептоны имеют спин 1/2. Различают заряженные лептоны — электрон е -, мюон  -, тяжелый лептон  - и соответствующие античастицы е +,  + и  + и нейтральные – различного рода нейтрино.

    Первым из заряженных лептонов был открыт электрон — в 1897 г. английским ученым  Дж. Дж. Томсоном . Его античастица— позитрон — была найдена в  1932 г. в космических лучах американским физиком К. Андерсоном. В 1936 г. также при излучении космических лучей были обнаружены мюоны (К. Андерсон и С. Неддермейер). Сначала произошла маленькая путаница: мюоны попытались отождествить с  частицей, которая, согласно теории японского  физика X. Юкавы, переносила сильные взаимодействия. Вскоре, впрочем, выяснилось, что к  сильным взаимодействиям мюон отношения не  имеет (частицами, предсказанными Юкавой, оказались   открытые   в    1947   г.   л-мезоны). И тогда возникла загадка мюона. Дело в том, что мюон удивительно похож на электрон: у них  одинаковый электрический заряд, спин, оба

они участвуют лишь в слабых и электромагнитных взаимодействиях, причем аналогичным образом. Единственное видимое их отличие заключается в массе: мюон в 206,8 раза тяжелее электрона (современное значение его  массы  = 105,65943 МэВ/с2   1,88- 10 –25 г).

Из-за   большей   величины   массы   мюон   утерял  стабильность,  время  его  жизни 2,2 • 10 -6 с.

Электрон стабилен, так как ему просто не на что распадаться. Действительно, из-за сохранения электрического заряда распад электрона был бы возможен только с испусканием более легких заряженных частиц, но о существовании таких частиц до сих пор ничего не известно. Если бы закон сохранения заряда не являлся вполне точным законом природы, то электрон мог бы распасться, например, на нейтрино и фотон. Поиски таких распадов, однако, не увенчались успехом и показали, что время жизни электрона, по крайней мере, больше чем 1022 лет (для сравнения: наша Вселенная существует «всего» около 2 • 10 -10 лет). Поэтому в современных теориях электрон считается стабильной частицей. Заметим все же, что экспериментальные пределы для времени жизни протона выглядят еще внушительнее (не менее 1032 лет), но теории, в которых он может распадаться, в последнее время стали очень популярны.

   С распадом мюона дело обстоит проще, он может распадаться и в действительности распадается на электрон и пару нейтрино разных сортов:  - е - + е`+  . За этот распад ответственны слабые взаимодействия. Экспериментальное значение времени жизни мюона хорошо согласуется с теоретическими расчетами. Разумеется, аналогичным образом происходит и распад положительно заряженного мюона: 

 +  е + + е +`.

     Не успев еще разобраться в загадке мюона, физики открыли третий заряженный лептон  (тау - лептон). Он был обнаружен в 1975 г. в опытах на встречных электрон-позитронных пучках в Станфорде (США) группой физиков во главе с М. Перлом при аннигиляции электрона и позитрона очень больших энергий. Тяжелый тау-лептон имеет массу почти в 3500 раз большую, чем масса электрона (me~1784 МэВ/с2). Он даже почти в 2 раза тяжелее протона. Время жизни -лептона с достаточной точностью было измерено лишь в 1981 г.— 3,4 • 10 -13 с. Такое время жизни показывает, что слабые взаимодействия -лептонов очень похожи на слабые взаимодействия электронов и мюонов (следует иметь в виду, что чем тяжелее частица, тем быстрее, при прочих одинаковых условиях, она распадается на более легкие. Имеющиеся данные позволяют утверждать, что и в остальном -лептон подобен электрону и мюону.

   Заряженные лептоны объединены еще одним свойством: в современных теориях все они представляются точечными объектами, не имеющими, в отличие от адронов, внутренней структуры. Эксперименты на самых мощных ускорителях при максимально достижимых в настоящее время энергиях показывают, что это справедливо, по крайней мере, вплоть до расстояний 10 -16 см.

Наблюдая за реакциями с участием лептонов, ученые обнаружили, что всегда остается постоянной разность числа лептонов и антилептонов. Для описания этого свойства ввели особое квантовое число — лептонный заряд  L, условно приписав значение L = 1 отрицательно заряженным лептонам и сопутствующим им нейтрино, а значение L.= -1  -  их античастицам. Тогда указанное явление сводится к закону сохранения лептонного заряда. Позднее установили, что электронное и мюонное нейтрино не тождественны друг другу, и пришлось ввести различные, сохраняющиеся независимо лептонные заряды. По-видимому, существует и третий тип лептонного заряда, связанный с тяжелым лептоном и его нейтрино.

Пока не наблюдалось случаев нарушения закона сохранения лептонного заряда. Скажем, этот закон запрещает безнейтринные распады мюона. Отношение вероятностей запрещенного и обычного распадов мюона оценивалось в экспериментах и оказалось меньшим 10 -9—10 –10. Поиск запрещенных распадов представляет большой интерес, так как не исключена возможность обнаружения несохранения лептонного заряда. Следует подчеркнуть, что лептонный заряд не является источником какого-то «лептонного» поля, а введен исключительно для объяснения наблюдаемых на опыте закономерностей реакций с участием лептонов.



Появившиеся в последнее время теории, основанные на представлениях о единстве сил природы, предсказывают неустойчивость протона и одновременно нарушение сохранения лептонного заряда. В чем же заключается причина существования разных типов лептонов с близкими свойствами и сильно различающимися массами? Какова природа лептонных зарядов? И нет ли еще других, пока что неизвестных нам лептонов? Сейчас на эти вопросы еще нет ответа. Решение их связано не только с лептонами, но и с другими истинно элементарными частицами—кварками, представляющими собой основные структурные элементы мира сильновзаимодействующих частиц. Кварки  сильно различаются по массам и обладают своими специфическим «зарядами». Пары кварков объединяются вместе с парами лептонов (заряженным лептоном и соответствующим нейтрино) в так называемые поколения  элементарных частиц. Многие свойства   частиц   повторяются   из   поколения в поколение, а массы поколений сильно различаются между собой: второе поколение  ( в него входят мюоны) тяжелее первого (с электронами),  а  третье  поколение   (включающее -лептоны)    тяжелее   второго.   Исследования многих загадок этих поколений еще только начинаются.



Электрон –отрицательно заряженная элементарная частица, носитель наименьшей известной массы и наименьшего электрического заряда в природе. Открыт в 1897 г. английским ученым ДЖ. Дж. Томсоном.

Электрон – составная часть атома, число электронов в нейтральном атоме равно атомному номеру, т.е. числу протонов в ядре.

 Первые точные  измерения заряда электрона провел в 1909-1913 гг. американский физик Р. Милликен. Современное значение абсолютной величины элементарного заряда составляет 

е =(4,8032420, 000014)10-10 или примерно 1,610-19 Кл. считается, что этот заряд действительно «элементарен», т. е. он не может быть разделен на части, а заряды любых объектов являются его целыми кратными. Вместе с постоянной Планка Н и скоростью света с элементарный заряд образует безразмерную постоянную = е2/ hc ~ 1/ 137. Постоянная тонкой структуры  — один из важнейших параметров квантовой электродинамики, она определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий. Масса электрона mе = (9,109534 ± 0,000047)10-28 г (в энергетических единицах ~0,5МэВ/с2). Если справедливы законы сохранения энергии и электрического заряда, то запрещены любые распады электрона. Поэтому электрон стабилен; экспериментально получено, что время его жизни не менее 1022 лет.

    В 1925 г. американские физики С. Гаудсмит и Дж. Уленбек для объяснения особенностей атомных спектров ввели внутренний момент количества движения электрона — спин (s). Спин электрона равен половине постоянной Планка (Н — 1,05510-34 Дж/с), но физики обычно говорят просто, что спин электрона равен 1/2:5 = 1/2. Со спином электрона связан его собственный магнитный момент. Магнитный момент электрона должен был равняться в точности одному магнетону Бора.

   Однако в 1947 г. в опытах было обнаружено, что магнитный момент примерно на 0,1% больше магнетона Бора. Объяснение этого факта было дано с учетом поляризации вакуума в квантовой электродинамике. Весьма трудоемкие вычисления дали теоретическое значение gе = 2(1,001159652460 ±  0,000000000148), которое можно сравнить с экспериментальными данными: для электрона gе = 2-(1,001159652200 ±  0,000000000040) и позитрона gе = 2• (1,(Ю 1159652222 ± 0,000000000050). Величины вычислены и измерены с точностью до двенадцати знаков после запятой, причем точность     экспериментальных     работ     выше

'точности теоретических расчетов. Это самые точные измерения в физике элементарных частиц.

Особенностями движения электронов в атомах, подчиняющегося уравнениям квантовой механики, определяются оптические, электрические, магнитные, химические и механические свойства веществ.

Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях. 

Слабые взаимодействия электронов проявляются, например, в процессах с несохранением в атомных спектрах или в реакциях между электронами и нейтрино.

Не имеется никаких данных о внутренней структуре электрона. Современные теории исходят из представлений о лептонах, как о точечных частицах. В настоящее время это проверено экспериментально до расстояний 10-16 см. Новые данные могут появиться лишь с повышением энергии столкновения частиц в будущих ускорителях.