Какие бывают элементарные частицы?

Предлагаю немного, насколько это возможно, погрузиться в микромир, который невозможно увидеть в микроскоп. Теория элементарных частиц, как и квантовая механика, которая лежит в ее основе, настолько сложна, что популярным языком объяснить ее - та еще задачка. До того, как я погряз в железках и их свойствах, меня очень привлекало это направление, поэтому решил ввести целую рубрику. К тому же, когда-то я обещал рассказать, откуда берется электрон в ядре. Вот потихоньку будем подбираться к этой теме.

Чтобы разобраться в огромном количестве частиц, нужно, во-первых, понять, какие частицы, действительно, являются элементарными (неделимыми), а какие – составными, во-вторых, рассортировать их всего на два вида: бозоны и фермионы. Сегодня поговорим о втором пункте, будем сортировать частицы.

Фермионы – это частицы, из которых состоит материя. Это как клетки в нашем теле - есть в каждом органе, а когда их часть начинает работать не так, как надо, страдает весь организм. Их у нас огромное количество как элементарных, так и составных. Например, всем известный электрон является фермионом.

Бозоны – это частицы-переносчики взаимодействия. О типах фундаментальных взаимодействий (которых 4 штуки) я давно уже собираюсь написать, но нужно много времени, чтобы объяснить это доступным языком. Если приводить аналогию с живым организмом, то бозоны, наверное, можно представить, как нейроны, являющиеся своеобразными сигналами, идущими от мозга к остальным органам, т.е. отвечающие за их взаимодействие (но это не точно, на ходу придумал). Одним из самых известных бозонов является фотон, который, к тому же, еще и электромагнитная волна. Поэтому он переносит электромагнитное взаимодействие, которое является самым распространенным. А одним из самых хайповых – бозон Хиггса, про который, кроме названия никто не может сказать ровным счетом ничего. Об остальных бозонах, как и об остальных видах взаимодействия, поговорим в следующих постах.

Одним из основных отличий этих двух видов частиц является подчинение принципу Паули. Этот принцип говорит о том, что не может существовать частиц с одинаковым набором параметров: энергии, импульса, спина и др. Эти параметры еще называют квантовыми числами.

Здесь стоит пояснить, что квантовая механика – это теория, пытающаяся, в том числе, математически описать то, что невозможно объяснить классической механикой. Принцип Паули, в том числе, математически запрещает быть фермионам в одинаковом состоянии. Иначе такую частицу невозможно будет обнаружить.

Помните на химии рисовали стрелочки в квадратиках при заполнении орбиталей? И нам говорили, что в одном квадратике нельзя рисовать две стрелочки в одну сторону. Так вот это одно из проявлений принципа Паули – на одной орбитали не может быть двух электронов с одинаковыми спинами. Так что квантовая механика началась в нашей жизни задолго до взросления.

С бозонами все по-другому – им на принцип Паули вообще плевать. Фермионы ему подчиняются, потому что несут большую ответственность, как элементы конструкции материи, и не могут позволить себе, чтобы конструкция разрушилась. А у бозонов, как у переносчиков взаимодействия между частицами, нет такой ответственности. Поэтому сколько угодно много бозонов может находиться одновременно в одинаковом квантовом состоянии. В монохроматическом луче света (одной длины волны), например, все фотоны могут быть одинаковые.

Я не стал перегружать вас сложными понятиями типа «волновая функция», «целый и полуцелый спин», потому что они сложны для понимания. Мы же тут, все-таки, пытаемся в научпоп, поэтому, как всегда, упрощения и аналогии.

Ну что, рассортировались у вас в голове все частицы на два типа? Конечно же нет! Оказалось, что бозонов очень мало, а большинство частиц, которые мы знаем со школы являются фермионами (электрон, протон, нейтрон), но, как мы узнаем дальше, не все из них являются элементарными.