М_а_с_с_а. Каждая частица характеризуется в свободном состоянии массой. Если частица входит в состав сложной схемы, то ее масса может измениться. Поэтому хотя масса и является важнейшим квантовым числом, тем не менее она не является строго сохраняющимся квантовым числом.
З_а_р_я_д. Электрический заряд всех элементарных частиц кратен заряду электрона e. Заряд - строго сохраняющееся квантовое число.
С_п_и_н. Спин - число, характеризующее собственное вращение элементарных частиц. Количественная его характеристика - момент количества движения. Спин может приобретать целое (в единицах HP: 0, HP, 2HP,...) или полуцелое (1/2 HP, 2/3 HP,...) значения. Наглядно, но неточно можно представить спин как вращение частицы в обычном пространстве Минковского. Ошибочность такого представления связана с точечностью некоторых элементарных частиц, и в первую очередь электрона. Для точечной частицы ее размеры r=0, следовательно, ее момент M = [rv] = 0. В квантовомеханической интерпретации спин - собственное вращение вектора состояния частицы в обычном пространстве.
И_з_о_т_о_п_и_ч_е_с_к_и_й с_п_и_н. Изотопический спин характеризует вырождение элементарных частиц по массам. Изотопический спин - характеристика семейств сильно взаимодействующих частиц. В семейство частиц с одинаковым изотопическим спином входят одинаково сильно взаимодействующие частицы, но с различными электрическими зарядами и близкими массами.
Количественно изотопический спин характеризуется целыми и полуцелыми числами. Изотопический спин отражает вращение вектора состояния в "воображаемом" зарядовом (изотопическом) пространстве. Изотопический спин характеризуется двумя числами: полным значением изотопического спина T и его проекцией на одну из осей координат T|. Приведем два
z типичных изотопических семейств.
Нуклоны включают протоны с массой m| = 938.2 МэВ и
p нейтроны с массой m| = 939.5 МэВ. Изотопический спин
N нуклонов T = 1/2. Для протона проекция T| = 1/2, для
z нейтрона T| = -1/2 .
z
+
Пионы - семейство, состоящее из трех частиц: PI||- и 0 PI|-пионов. Изотопический спин пионов T=1; проекции T|
z +- 0 PI||-пионов равны +-1; проекция T| для PI|-пиона равна нулю.
z Изотопический спин - приближенно сохраняющееся квантовое число. Оно сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых.
С_т_р_а_н_н_о_с_т_ь. Это квантовое число отражает свойство некоторых элементарных частиц рождаться исключительно парами.
Например, невозможна реакция:
0 p+n -> p+^Л| , (Д.2)
(((ЗДЕСЬ Л ОБОЗНАЧАЕТ ДОВОЛЬНО БОЛЬШОЙ ЗНАЧОК ^)
но возможна реакция
+ + 0 PI|+ + n -> K| + Л| (Д.3)
+ 0 (K| и Л| - символы K- и Л-частиц).
Объяснение этого явления основано на постулировании наличия у некоторых (странных) элементарных частиц нового квантового числа - странности S, которое может принимать оба
0 + знака. Так, для Л|-частицы странность S=-1; для K|-частицы S=+1. Странность также сохраняется лишь в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не сохраняется в слабых. Обе реакции (Д.2) и (Д.3) определяются сильным взаимодействием; поэтому в них странность S должна сохраняться. В реакции (Д.2) странность не сохраняется (слева S=0; справа - S=-1), поэтому эта реакция не осуществляется. В реакции (Д.3) странность S=0 в обеих частях равенства. Поэтому эта реакция наблюдается и хорошо изучена.
Ц_в_е_т. Это количественная характеристика (заряд) сильного взаимодействия. Поскольку носителями сильного взаимодействия являются кварки, то цвет - характеристика взаимодействия между кварками. В отличие от электромагнитного взаимодействия, которое имеет два типа, соответствующие положительному и отрицательному зарядам, сильное взаимодействие характеризуется тремя модификациями.
Другое отличие заключается в том, что носители сильного заряда - кварки - не встречаются в свободном состоянии.
Вследствие этих особенностей невозможно использовать координатные оси для описания сильного заряда. В математике положительная и отрицательная полуоси эквивалентны, что и отражает полную эквивалентность положительных и отрицательных зарядов. Три числа (например, +-1, 0) не эквивалентны, следовательно, числовое представление "сильных" зарядов неадекватно. Поэтому для их представления был выбран физической образ - цвет. Известно, что в цветовой гамме содержатся три дополнительных цвета (красный, желтый и синий), которые в сумме дают белый цвет. Оба свойства дополнительных цветов (число три и обесцвеченность) хорошо представляют основные свойства сильного взаимодействия: три модификации заряда и нейтральность (относительно сильного взаимодействия) элементарных частиц, состоящих из кварков.
Подчеркнем еще раз, что, кроме общности символики, цвет как заряд сильного взаимодействия не имеет ничего общего с оптическими цветами.
В квантовой теории поля взаимодействие между частицами f| и f| осуществляется передачей частицы-переносчика B. 1 2 Частица-переносчик может передать массу (энергию), импульс, заряд, спин, изотопический спин, цвет и другие квантовые числа.
Свойства частицы-переносчика и константа взаимодействия полностью определяют все характеристики взаимодействия.
Наиболее хорошо изучена частица-переносчик фотон частица с нулевой массой покоя и спином, равным единице. Его изотопический спин, странность и цвет равны нулю. Поэтому при электромагнитном взаимодействии переносится от частицы f| к частице f| масса (энергия), импульс и спин. Цвет, 1 2 странность и другие квантовые числа не переносятся. Это простейший пример предопределенности взаимодействия свойствами частицы-переносчика.
В таблице сведены характеристики частиц-переносчиков различных взаимодействий.
Тип взаимодей- Название Электри- Изотопичесствия частицы- Спин ческий Цвет кий спин
переносчика заряд
Электромаг- Фотон 1 0 0 0 нитное
Слабое Бозон 1 +-1,0 0 1
Сильное Глюон 1 0 Три 0
цвета
Гравитационное Гравитон 2 0 0 0
Исключительно важной основой классификации частиц является их спин. Частицы с полуцелым спином (HP/2, (3/2) * HP...) называются фермионами, частицы с целым спином (0, HP, 2*HP...) - бозонами.
Кардинальное отличие в поведении фермионов и бозонов обусловлено разницей в симметрии волновых функций, описывающих состояние системы в целом. Фермионы не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (принцип Паули), для бозонов такой запрет отсутствует. Более того, система бозонов, находящихся в основном состоянии, стремится увеличить число частиц в этом состоянии (явление бозе-конденсации).
Частицы также классифицируются по силе их взаимодействия. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии, называются адронами. Фермионы, не участвующие в сильном взаимодействии, называются лептонами. Как правило, лептоны легче адронов, однако есть и исключение: масса TAU-лептона ~ 1.8*m|.
p
Число адронов (~300) существенно превышает число лептонов. Сейчас обнаружено пять лептонов (e, NU, TAU, V|,
e V|), однако почти несомненно существует и шестой лептон ю TAU-нейтрино. (((НАПОМИНАЮ, ЧТО ю В ИНДЕКСЕ ОБОЗНАЧАЕТ NU)))
Адроны с полуцелым спином называются барионами; их масса m > m| . Адроны с целым спином - мезонами.
p
Особое место занимают частицы-переносчики - бозоны. Их
+- 0 масса (кроме W||-, Z|-бозонов) равна нулю.