Классификация элементарных частиц

Это список частиц в физике элементарных частиц, включающий не только открытые, но и гипотетические элементарные частицы, а также составные частицы, состоящие из элементарных частиц.

См. также «Хронология открытий элементарных частиц» — хронологический список субатомных частиц по дате открытия.

Элементарные частицы

Элементарная частица — это частица без внутренней структуры, то есть не содержащая других частиц.^[1] Элементарные частицы — фундаментальные объекты квантовой теории поля. Элементарные частицы могут быть классифицированы по спину: фермионы имеют полуцелый спин, а бозоны — целый спин.

Стандартная модель

Стандартная модель физики элементарных частиц — теория, описывающая свойства и взаимодействия элементарных частиц. Все частицы, предсказываемые Стандартной моделью, за исключением бозона Хиггса, были экспериментально обнаружены.

Фермионы (полуцелый спин)

Фермионы имеют полуцелый спин; для всех известных элементарных фермионов он равен ½. Каждый фермион имеет свою собственную античастицу. Фермионы являются базовыми кирпичиками всей материи. Они классифицируются по своему участию в сильном взаимодействии. Согласно Стандартной модели, существует 12 ароматов элементарных фермионов: шесть кварков и шесть лептонов.

• Кварки имеют цветовой заряд и участвуют в сильном взаимодействии. Их античастицы называются антикварками. Существует шесть ароматов кварков:

Поколение
		Название/Аромат кварка/антикварка	Символ кварка/ антикварка	Электри- ческий заряд (e)	Масса (МэВ)		Название/Аромат кварка/антикварка	Символ кварка/ антикварка	Электри- ческий заряд (e)	Масса (МэВ)
1		u-кварк (Up-кварк) / анти u-кварк	$u / \, \overline{u}$	+2/3	от 1,5 до 3		d-кварк (Down-кварк) / анти d-кварк	$d / \, \overline{d}$	−1/3	от 3 до 7
2		c-кварк (Charm-кварк) / анти c-кварк	$c / \, \overline{c}$	+2/3	1250 ± 90		s-кварк (Strange-кварк) / анти s-кварк	$s / \, \overline{s}$	−1/3	95 ± 25
3		t-кварк (Top-кварк) / анти t-кварк	$t / \, \overline{t}$	+2/3	174 200 ± 3300[2]		b-кварк (Bottom-кварк) / анти b-кварк	$b / \, \overline{b}$	−1/3	4200 ± 70

• Лептоны не участвуют в сильном взаимодействии. Их античастицы — антилептоны (античастица электрона называется позитрон по историческим причинам). Лептоны также существуют шести ароматов:

Поколение		Заряженный лептон / античастица					Нейтрино / антинейтрино
		Название	Символ	Электрический заряд (e)	Масса (МэВ)		Название	Символ	Электрический заряд (e)	Масса (МэВ)
1		Электрон / Позитрон	$e^- \, / \, e^+$	−1 / +1	0,511		Электронное нейтрино / Электронное антинейтрино	$\nu_e \, / \, \overline{\nu}_e$	0	< 0,0000022 [3]
2		Мюон	$\mu^- \, / \, \mu^+$	−1 / +1	105,66		Мюонное нейтрино / Мюонное антинейтрино	$\nu_\mu \, / \, \overline{\nu}_\mu$	0	< 0,17 [3]
3		Тау-лептон	$\tau^- \, / \, \tau^+$	−1 / +1	1776,99		Тау нейтрино / Тау антинейтрино	$\nu_\tau \, / \, \overline{\nu}_\tau$	0	< 15,5 [3]

Массы нейтрино не равны нулю (это подтверждается существованием нейтринных осцилляций), но настолько малы, что не были измерены напрямую на 2007 г.

Бозоны (целый спин)

Бозоны имеют целочисленные спины. Фундаментальные силы природы переносятся калибровочными бозонами, а масса, согласно теории, создаётся хиггсовскими бозонами. По Стандартной модели, элементарными бозонами являются следующие частицы:

Название	Заряд (e)	Спин	Масса (ГэВ)	Переносимое взаимодействие
Фотон	0	1	0	Электромагнитное взаимодействие
W±	±1	1	80,4	Слабое взаимодействие
Z0	0	1	91,2	Слабое взаимодействие
Глюон	0	1	0	Сильное взаимодействие
Бозон Хиггса	0	0	>112	Поле Хиггса

Бозон Хиггса (спин — 0) предсказывается теорией электрослабого взаимодействия и является единственной частицей Стандартной модели, не обнаруженной до сих пор. В механизме Хиггса Стандартной модели массивный хиггсовский бозон создаётся из-за спонтанного нарушения симметрии поля Хиггса. Присущие элементарным частицам массы (в частности, большие массы W^±- и Z⁰-бозонов) могут быть объяснены их взаимодействиями с этим полем. Многие физики ожидают открытия бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере (LHC) — ускорителе элементарных частиц, который построен в ЦЕРНе и запущен в сентябре 2008 года.

Гипотетические частицы

Суперсимметричные теории, расширяющие Стандартную модель, предсказывают существование новых частиц (суперсимметричных партнёров частиц Стандартной модели), но ни одна из них не была экспериментально подтверждена (на февраль 2008 г).

• Нейтралино (спин — ½) — суперпозиция суперпартнёров нескольких нейтральных частиц Стандартной модели. Это ведущий кандидат на основную составляющую тёмной материи (см. также вимпы). Партнёры заряженных (charged) бозонов называются чарджино (chargino).
• Фотино (спин — ½) — суперпартнёр фотона.
• Гравитино (спин — ³⁄₂) — суперпартнёр гравитона в теориях супергравитации.
• Слептоны и Скварки (спин — 0) — суперсимметричные партнёры фермионов Стандартной модели. С-топ кварк (Stop) (суперпартнёр top-кварка) предположительно имеет маленькую массу, его поиски активно ведутся.

Другие теории предсказывают существование дополнительных бозонов.

• Гравитон (спин — 2) предложен как переносчик гравитации в теориях квантовой гравитации.
• Гравискаляр (спин — 0) и гравифотон (спин — 1).
• Аксион (спин — 0) — псевдоскалярная частица, введённая в теории Печчеи — Квинн, чтобы решить CP-проблему сильного взаимодействия.
• Саксион (спин — 0, скаляр, R-чётность = 1) и аксино (спин — 1/2, R-чётность = −1) формируют вместе с аксионом супермультиплет в суперсимметричных вариантах теории Печчеи — Квинн.
• X-бозон и Y-бозон предсказываются теориями Великого объединения как более тяжёлые эквиваленты W- и Z-бозонов.
• Магнитный фотон.
• Стерильное нейтрино вводится во многих вариантах Стандартной модели и может пригодиться для объяснения результатов LSND (ускорительного эксперимента по изучению нейтринных осцилляций).
• Майорон введён, чтобы объяснить массы нейтрино при помощи механизма see-saw.
• Зеркальные частицы предсказаны теориями, восстанавливающими симметрию чётности.

Магнитный монополь — общее название для частиц с ненулевым магнитным зарядом. Они предсказываются некоторыми теориями Великого объединения.

Преон был предложен как подструктура для кварков и лептонов, но современные эксперименты на коллайдерах не подтверждают его существование.

Составные частицы

Кварковая структура протона: 2 u-кварка и 1 d-кварк.

Адроны

Адроны определяются как сильно взаимодействующие составные частицы. Адроны являются либо:

• Фермионами, тогда они называются барионами, либо
• Бозонами, тогда они называются мезонами.

Кварковые модели, впервые предложенные в 1964 г. независимо Мюрреем Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом (который назвал кварки «тузами»), описывают известные адроны как составленные из свободных (валентных) кварков и/или антикварков, крепко связанных сильным взаимодействием, которое переносится глюонами. В каждом адроне также содержится «море» виртуальных кварк-антикварковых пар.

Барионы

Комбинация трёх u, d или s-кварков с общим спином 3/2 формирует так называемый барионный декуплет.

См. более подробный список барионов.

Обычные барионы (фермионы) содержат каждый три валентных кварка или три валентных антикварка.

• Нуклоны — фермионные составляющие обычного атомного ядра:
  • Протоны
  • Нейтроны
• Гипероны, такие, как Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-частицы, содержат один или больше s-кварков, быстро распадаются и тяжелее нуклонов. Хотя обычно в атомном ядре гиперонов нет (в нём содержится лишь примесь виртуальных гиперонов), существуют связанные системы одного или более гиперонов с нуклонами, называемые гиперядрами.
• Также были обнаружены очарованные и прелестные барионы.

Недавно были найдены признаки существования экзотических барионов, содержащих пять валентных кварков; однако, были сообщения и об отрицательных результатах. Вопрос их существования остаётся открытым.

• Пентакварки состоят из пяти валентных кварков (точнее, четырёх кварков и одного антикварка).

Мезоны

Мезоны с нулевым спином формируют нонет

См. более подробный список мезонов.

Обычные мезоны содержат валентный кварк и валентный антикварк. В их число входят пион, каон, J/ψ-мезон и многие другие типы мезонов. В моделях ядерных сил взаимодействие между нуклонами переносится мезонами.

Могут существовать также экзотические мезоны (их существование всё ещё под вопросом):

• Тетракварки состоят из двух валентных кварков и двух валентных антикварков.
• Глюболы — связанные состояния глюонов без валентных кварков.
• Гибриды состоят из одной или более кварк-антикварковых пар и одного или более реальных глюонов.

Мезоны с нулевым спином формируют нонет.

Атомные ядра

Атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, связанных сильным взаимодействием. Каждый тип ядра содержит строго определённое число протонов и строго определённое число нейтронов и называется нуклидом или изотопом. В настоящее время известно более 3000 нуклидов, из которых в природе встречается лишь около 300 (см. таблицу нуклидов). Ядерные реакции и радиоактивный распад могут превращать один нуклид в другой.

Некоторые ядра имеют собственные названия. Кроме протона (см. выше), собственными названиями обладают:

• дейтрон, d — ядро дейтерия (²H);
• тритон, t — ядро трития (³H);
• гелион, h — ядро гелия-3;
• альфа-частица, α — ядро гелия-4.

Атомы

Атомы — самые маленькие частицы, на которые материя может быть разделена с помощью химических реакций. Атом состоит из маленького тяжёлого положительно заряженного ядра, окружённого относительно большим лёгким облаком электронов. Каждый тип атома соответствует определённому химическому элементу, 111 из которых имеют официальное название (см. Периодическую систему элементов).

Существуют также короткоживущие экзотические атомы, в которых роль ядра (положительно заряженной частицы) выполняет позитрон (позитроний) или положительный мюон (мюоний). Имеются также атомы с отрицательным мюоном вместо одного из электронов (мюонный атом). Химические свойства атома определяются количеством электронов в нём, которое, в свою очередь, зависит от заряда его ядра. Все нейтральные атомы с одинаковым зарядом ядра (то есть с одинаковым количеством протонов в ядре) химически идентичны и представляют один и тот же химический элемент, хотя их масса может отличаться из-за различного количества нейтронов в ядре (такие атомы с различным числом нейтронов в ядре представляют различные изотопы одного элемента). В нейтральных атомах число электронов равно числу протонов в ядре. Атомы, лишённые одного или нескольких электронов (ионизованные), называются положительными ионами (катионами); атомы с лишними электронами называются отрицательными ионами (анионами).

Молекулы

Молекулы — самые маленькие частицы вещества, ещё сохраняющие его химические свойства. Каждый тип молекулы соответствует химическому соединению (см. список химических соединений). Молекулы состоят из одного или более атомов. Они могут быть как нейтральными, так и заряженными (молекулярные ионы).

Квазичастицы

Многие уравнения поля в физике конденсированных сред математически похожи на уравнения физики высоких энергий. В результате множество достижений физики элементарных частиц применимо также для физики конденсированных сред; в частности, существует набор полевых возбуждений, называемых квазичастицами, которые могут быть созданы и исследованы. В их число входят:

• Фононы — колебательные моды в кристаллической решётке.
• Экситоны — связанные состояния электрона и дырки.
• Плазмоны — когерентные возбуждения плазмы.
• Поляритоны — смеси фотонов с другими квазичастицами.
• Поляроны — двигающиеся заряженные (квази-)частицы, окружённые ионами в веществе.
• Магноны — когерентные возбуждения электронных спинов в веществе.
• Ротоны — вращательные состояния в вырожденных средах (например, в жидком гелии).

Другие существующие и гипотетические частицы

• WIMРы (вимпы) (англ. weakly interacting massive particles  — слабо взаимодействующие массивные частицы), любые частицы из целого набора частиц, которые могут объяснить природу холодной тёмной материи (такие, как нейтралино или аксион). Эти частицы должны быть достаточно тяжёлыми и не участвовать в сильном и электромагнитном взаимодействиях.
• SIMPы (англ. strongly interacting massive particles — сильно взаимодействующие массивные частицы).
• Померон, используемый для объяснения квазиупругого рассеяния адронов и расположения полюсов Редже в теории Редже.
• Скирмион, топологическое решение пионного поля, используется для моделирования низкоэнергетических свойств нуклонов, таких, как связь аксиально-векторного тока и массы.
• Голдстоуновский бозон — безмассовое возбуждение поля, которое было подвергнуто спонтанному нарушению симметрии. Пионы являются квази-голдстоуновскими бозонами (квази-, потому что они имеют ненулевую массу) нарушенной хиральной изоспиновой симметрии квантовой хромодинамики.
• Голдстино — фермион Голдстоуна, возникающий при спонтанном нарушении суперсимметрии.
• Инстантон — полевая конфигурация, которая является локальным минимумом Евклидова действия. Инстантоны используются в непертурбативных расчётах туннельных уровней.
• Дион — гипотетическая частица, обладающая одновременно электрическим и магнитным зарядами.
• Геон — электромагнитная или гравитационная волна, которая удерживается в ограниченной области гравитационным притяжением энергии своего собственного поля.
• Oh-My-God (англ.  — боже мой) частица — ультравысокоэнергетические космические лучи (возможно, протоны), которые имеют энергию выше предела Грейзена-Зацепина-Кузьмина, представляющего собой теоретически максимально возможную энергию космических лучей.
• Спурион — имя, данное «частице», введённой математически в распад с нарушением закона сохранения изоспина, чтобы анализировать его как процесс с сохранением изоспина.
• Акселерон.

Классификация по скорости

• Тардионы, или брадионы движутся медленнее света и имеют ненулевую массу покоя. К ним относятся все известные частицы, кроме безмассовых.
• Люксоны движутся со скоростью света и не имеют массы покоя. К ним относятся фотон и глюон (а также пока неоткрытый гравитон).
• Тахионы — гипотетические частицы, движущиеся быстрее света и имеющие мнимую массу.

Примечания

1. ↑ Определение элементарной частицы как частицы, не имеющей внутренней структуры, принято в английском и некоторых других разделах Википедии. Данный список придерживается этой терминологии. В других статьях русской Википедии такие частицы называются фундаментальными, а термин «элементарная частица» используется для неделимых частиц, к которым помимо фундаментальных частиц относятся и адроны (которые в результате конфайнмента нельзя разделить на отдельные кварки).
2. ↑ Масса Top кварка: теперь неопределённость на 1,2% (2006-08-03). Проверено 15 октября 2006.
3. ↑ ^{1 2 3} Лабораторные измерения и ограничения на свойства нейтрино. Проверено 24 мая 2007.

См. также

• Стандартная модель.
• Таблица нуклидов.
• Периодическая система элементов.
• Список химических соединений.
• Выдуманные элементы, изотопы и атомные частицы.

Ссылки

• S. Eidelman et al. (2004). "Review of Particle Physics". Physics Letters B 592: 1. (На сайте Particle Data Group находится регулярно обновляемая электронная версия этого обзора свойств частиц.)
• Joseph F. Alward, Elementary Particles, Department of Physics, University of the Pacific
• Elementary particles, The Columbia Encyclopedia, Sixth Edition. 2001.