Свойства элементарных частиц

Все элементарные частицы принято характеризовать набором физических величин и так называемыми квантовыми числами, определяющих их свойства. Рассмотрим их основные характеристики.

Масса частицы (масса покоя),  – это скалярная физическая величина, характеризующая энергию покоя частицы . Основанием для этого служит принцип эквивалентности массы и энергии, выдвинутый А. Эйнштейном в специальной теории относительности (СТО), согласно которому  обращение в нуль скорости (следовательно, и импульса ) релятивистской частицы, не приводит к обращению в нуль  её энергии, она остаётся равной некоторой величине, определяемой массой тела:

, (при  и );

, (при  и ),

где  – скорость света.  

Масса – в том виде, в котором это слово понимает современная физика, и в особенности физика элементарных частиц, в отличие от энергии и импульса, зависящих от скорости, – всегда остается неизменной.

Поскольку  – фундаментальная постоянная, не изменяющаяся ни при каких условиях, то указание в качестве характеристики массы частицы её энергии, выраженной в обычно электронвольтах, однозначно определяет значение массы в любых традиционных единицах и к недоразумениям не приводит.

В единицах массы , и напротив, .

Массы частиц меняются в широких пределах. Так, например, масса такого переносчика взаимодействия, как фотон, на столько мала, что её принято считать раной нулю. А вот масса Z-бозона составляет около . Могут существовать и более тяжёлые частицы.

Массы адронов зависят от типов входящих в их состав кварков, а также от их спиновых состояний.

Время жизни (или среднее время жизни),  – это скалярная физическая величина, характеризующая промежуток времени, в течении которого  частица способна произвести распад на другие более лёгкие элементарные частицы. Временем жизни определяется из так называемого экспоненциального закона распада:

,

где  – некоторый момент времени, по истечению которого производится оценка распада частиц,  – предварительное число частиц (число  частиц в момент времени ),  – число нераспавшихся частиц.

Элементарные частицы, имеющие бесконечно большое время жизни в свободном состоянии считаются стабильными. Обычно они характеризуются минимальными массами при заданных значениях всех сохраняющихся зарядах (электрическом, барионном, лептонном). Такими частицами являются протон, электрон, фотон, нейтрино (может быть и гравитон тоже) и их античастицы. Несмотря на уже имеющиеся гипотезы о нестабильности протона и антипротона, их распады зарегистрированными пока ещё не были.

Все остальные элементарные частицы (т. е. большинство) являются нестабильными – самопроизвольно распадаются на другие частицы в свободном состоянии. Время жизни нестабильных частиц зависит от вида взаимодействия (сильного, электромагнитного, слабого, (возможно и гравитационного)), вызывающего их распад. Из них наиболее малым временем жизни характеризуются частицы, распадающиеся за счёт сильного взаимодействия ( ), а наиболее большим – частицы, распадающиеся за счёт слабого взаимодействия (нейтрон, мюон, заряженный пион, гиперон, каон).

Величина, обратная времени жизни, называется постоянной распада:

 .

Электрический заряд,  – это количественная  характеристика,  показывающая  степень возможного участия тела в электромагнитных взаимодействиях. Для элементарных частиц он является целочисленной величиной, которая кратна так называемому элементарному электрическому заряду :

.

Известные элементарные частицы имеют заряды .

Спин,  – это собственный момент импульса, характеризующий количество вращательного движения элементарной частицы, под которым следует понимать не само её движение вокруг своей оси, а факт его совершения в результате необычного поведения частицы.

Величина спина измеряется в единицах  и может принимать нулевые, полуцелые и целые значения. Например, спин  пионов и K-мезонов равен 0. Спин электрона, мюона равен 1/2. Спин фотона равен 1. Существуют  частицы  и  с  большим  значением  спина.  Частицы  с  полуцелым спином подчиняются статистике Ферми−Дирака, с нулевым и целым спином − статистике Бозе-Эйнштейна.

Изоспин,  – это физическая величина, являющаяся внутренней характеристикой адронов, определяющей число частиц ( ), входящих в один изотопический мультиплет (группа частиц, обладающих схожими свойствами (одинаковым значением спина, чётности, барионного числа, странности и других квантовых чисел, сохраняющихся в сильных взаимодействиях)):

.

Никакого отношения к спину частиц данная величина не имеет. Например,  и составляют изотопический дуплет ; , ,  входят в состав изотопического триплета , − изотопический синглет .

Внутренняя чётность,  – это квантовое число, характеризующее свойство симметрии волновой функции частицы или системы частиц (а также атома, атомного ядра) относительно пространственных отражений. Если при операции пространственного отражения волновая функция своего знака не меняет, внутренняя чётность частицы считается положительной, в противном случае − отрицательной. Причём операция проведённая для частицы дважды должна её вернуть в прежнее состояние. чётность сохраняется только в сильном и электромагнитном взаимодействии.

Зарядовая чётность,  − это квантовое число, характеризующее состояние частицы или системы частиц (а также атома, атомного ядра) при применении к ней операции зарядового сопряжения (т. е. при замене частицы на антицастицу). Если при операции зарядового сопряжения частица переходит в свою античастицу и наоборот, а волновая функция частицы своего знака не меняет, то зарядовая чётность такой частицы считается положительной. Если же при операции зарядового сопряжения знак волновой функции меняется − зарядовая чётность частицы отрицательна.  чётность сохраняется только в сильном и электромагнитном взаимодействии.

Чётность,  − это квантовое число, соответствующее симметрии относительно одновременной операции зарядового сопряжения и изменения знака проекции  изоспина. чётность сохраняется только в сильном взаимодействии.

Лептонное число (лептонный заряд),  − это квантовое число, присущее  только группе лептонов.  Существует  три  типа  лептонного  заряда  ,   и  , каждый  из которых  сохраняется  в  отдельности.  Лептонным  зарядом  обладают лептоны 1-го поколения ( , );  для лептонов 2-го поколения ( , ); и  для лептонов 3-го поколения ( , ). У антилептонов соответствующий лептонный заряд  ( для  и ;    для , ;  для , .

Барионное число (барионный заряд),  − это квантовое число, присущее только группе барионов – адронам с полуцелым спином.  Для них  , для антибарионов .  Барионный  заряд  сохраняется  в  сильных,  электромагнитных  и  слабых взаимодействиях.

Странность (strange),  − это квантовое число, определяемое кварковым составом адронов. Оно может принимать значения   , , , , , ,  в зависимости от того, сколько странных кварков входит в тот или иной адрон. Например,   ( ), имеет  , а   ( ), имеет  ;  мезон ( ) –   , а  мезон ( ) –   ; -гиперон ( ) –   , а -гиперон ( ) –   ; -гиперон ( ) –   , а -гиперон ( ) –   ;  мезон ( ) и  мезон ( ) имеют .

Очарование (сharm),  − это квантовое число, определяемое кварковым составом адронов. Значения, которое оно может принимать – это также   , , , , , , .  В настоящее время обнаружены частицы, имеющие ,  и . Например,  барион  ( ) имеет ,  ( ) −  , барион  ( ) имеет ;  мезон ( ) −  ,  мезон ( ) −  ;  мезон ( ) и  мезон ( ) имеют ; и только один -гиперон ( ) имеет .

Прелесть (beauty, bottomness),  − это квантовое число, определяемое кварковым составом адронов. Оно может также принимать значения   , , , , , , .  Но на настоящее время пока обнаружены частицы с ,  и . Например,   мезон ( ) имеет ,   мезон ( ) − ,  мезон ( ) и  мезон ( ) − .

Истинность (truth),  − это квантовое число, определяемое кварковым составом адронов. Оно может принимать значения   , , , , , , .  В настоящее время  обнаружено  всего  одно  состояние  с .

Цветовой заряд − это квантовое число в квантовой хромодинамике (КХД), приписываемое кваркам и глюонам. Согласно теории КХД каждый аромат кварка ( , , , ,  или ) может принимать оно из трёх различных цветовых значений (зарядов): красный, синий или зелёный, а их антикварки ( , , , ,  или ) – одно из трёх антицветовых значений (зарядов): голубой, жёлтый или пурпурный (соответственно). Глюоны же могут иметь 8 комбинаций цветовых сочетаний:   , , , , , ,  .

Ширина распада,  − это неопределённость энергии состояния, связанная с временем жизни ( ) соотношением неопределённостей: . Обычно она используется для характеристики короткоживущих частиц (резонансов) вместо времени жизни ( ). Ширина распада обладает размерностью энергии (измеряется электронвольтах). Это следует из соотношения неопределённостей между энергией и временем   .

Частица с шириной распада   имеет время жизни  . Аналогично квантовомеханическое состояние с временем жизни   имеет ширину  .

Вероятность распада,   – это величина, характеризующая интенсивность распада нестабильных частиц и равная доле частиц некоторого ансамбля, распадающейся в единицу времени: 

,

где     - время жизни элементарной частицы.

Квантовая запутанность – это возможно? 

Направления спинов запутанных частиц

К свойствам элементарных частиц также можно отнести «квантовую запутанность». Оно состоит в том, что если 2 квантовые частицы (например, пара электронов или фотонов) оказываются взаимозависимыми (запутанными), то их связь сохраняется, даже если они будут находиться разных частях Вселенной за пределами любых известных взаимодействий.

Так если измерить спин одной из двух запутанных частиц, находящейся на Земле, и он окажется направленным в одну сторону; то можно быть уверенным, что спин второй частицы, находящейся, например, на Луне или Марсе, будет направлен в противоположную сторону. И, наоборот. Хотя до измерения состояния обеих частиц, они имели оба значения спина одновременно.

Как измеряют спин электрона, фотона? Для измерения спина электрона его помещают в магнитное поле. Тогда электроны со спином, направленным против направления поля, и со спином, направленным по полю будут отклоняться в разные стороны. Спины фотонов измеряют, направляя их в поляризационный фильтр. Фотоны, которые не проходят через фильтр, имеют спин (или поляризацию) «–1»; а те, которые проходят –  «+1».

Немецкий физик Н. Бор считал, что в момент измерения связанные частицы передают друг другу информацию мгновенно, даже если они разнесены на огромные расстояния. А. Эйнштейн  был не согласен с Н. Бором, так как он противоречил его открытию о том, что в мире нет скорости больше, чем скорость света – информация не может передаваться с большей скоростью, чем скорость света. В 1935 году А. Эйнштейн  опубликовал статью, в которой он описывал мысленный эксперимент с парой перчаток (эксперимент «парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена»), разделённых заранее по разным шкатулкам.  А. Эйнштейн  считал, если одну из шкатулок отправить на Луну своему другу, то какая там перчатка (левая или правая), он узнает, как только её откроет; и никакой мгновенной передачи информации не существует – в запутанные квантовые частицы изначально заложена информация об их состояниях.

В 1967 году американским физиком Дж. Клаузером была найдена забытая работа ирландского физика Дж. Белла, в которой он предлагал экспериментально проверить обе версии и разрешить спор Н. Бора и А. Эйнштейна. Дж. Клаузеру удалось построить экспериментальную машину Дж. Белла, которая позволяла создавать тысячи пар запутанных частиц и  сравнивать их по различным параметрам. А результаты проведённого им эксперимента доказывали правоту Н. Бора.

Смотрите также видео о квантовой запутанности по данной ссылке:

https://www.youtube.com/watch?v=0p3CWBIjv7I.