Элементарные частицы

Наиболее важное свойство всех элементарных частиц — способность к взаимным превращениям, т. е. способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться). Все процессы с элементарными частицами, включая их распады, протекают через последовательность актов поглощения и испускания, в которых непременно выполняются законы сохранения.

Процессы с участием различных элементарных частиц сильно различаются по интенсивности протекания, т. е. по характерным временам и энергиям. В соответствии с этим взаимодействия, в которых они участвуют, феноменологически подразделяют на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие приводит к наиболее прочной связи элементарных частиц; именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в атомных ядрах.

Электромагнитное взаимодействие ответственно за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах и конденсированных средах. Между элементарными частицами это взаимодействие осуществляется через электромагнитное поле; для его существования наличие электрического заряда у частицы не обязательно. Например, не обладающий электрическим зарядом нейтрон имеет магнитный момент и участвует в электромагнитном взаимодействии.

Слабое взаимодействие проявляется в сравнительно медленно протекающих процессах распада некоторых элементарных частиц и атомных ядер. Например, благодаря слабому взаимодействию свободный нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Несмотря на сравнительно малую интенсивность и короткодействие, слабое взаимодействие играет очень важную роль в устройстве Вселенной. Например, если бы удалось "выключить" слабое взаимодействие, то погасло бы Солнце, так как был бы невозможен процесс превращения протона в нейтрон, позитрон и нейтрино, в результате которого четыре протона, в конечном счете, синтезируются в ядро . Этот процесс служит источником энергии Солнца и большинства звезд.

Все без исключения частицы участвуют в гравитационном взаимодействии, которое, однако, на субатомных расстояниях порядка 10-13 см и меньше не играет практически никакой роли.

В зависимости от способности к участию в тех иных видах взаимодействий все элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны и лептоны. Андроны наряду с электромагнитным и слабым взаимодействиями участвуют в сильном взаимодействии. Лептоны участвуют только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.

Относительная роль разных видов взаимодействий (сильного, электромагнитного, слабого) в процессах с элементарными частицами зависит от энергии частиц. Поэтому деление взаимодействий на виды в зависимости от интенсивности процессов надежно осуществляется только при не слишком высоких энергиях. В современной физике растет уверенность, что все взаимодействия в природе тесно связаны между собой и по существу являются различными проявлениями некоторого единого поля. Объединение всех взаимодействий остается пока нерешенной задачей физической теории.

Руководящая идея в развитии теории элементарных частиц основана на представлении о внутренних симметриях. Например, сильное взаимодействие симметрично относительно поворотов в абстрактном изотопическом пространстве. Одним из проявлений этой симметрии является зарядовая независимость ядерных сил. Так называемая калибровочная симметрия отвечает тому факту, что некоторые сохраняющиеся величины, называемые "зарядами" (например, электрический заряд) являются одновременно источниками полей, переносящих взаимодействия между частицами, обладающими данным типом "заряда". С каждым типом симметрии в физике связан определенный закон сохранения.