Самые элементарные частицы на сегодняшний день.

В древние времена философ Демокрит, рассматривая свое золотое кольцо, увидел, что оно постепенно изнашивается, и маленькие частицы золота могут отделяться от него. Тогда он предположил, что все вещества состоят из неделимых частиц – атомов.

После этого, конечно, его теория претерпела немало изменений, особенно в 20 веке (переместимся сразу туда). Я уже много раз говорил о том, как великие умы поняли, что атом очень даже делимый, и вся его масса сосредоточена в ядре, вокруг которого вращаются электроны (привет от Резерфорда). И до поры до времени существовала вполне логичная теория о том, что ядро состоит из довольно тяжелых по сравнению с электроном частиц – протонов и нейтронов. И вот они, казалось на тот момент, уж точно неделимы и вместе с электроном пополняют ряды элементарных частиц, из которых состоит все на свете.

Все изменилось, когда начали строить ускорители частиц для изучения устройства вселенной. Ускорители – это огромные прямые или кольцевые туннели, в которых с помощью мощных магнитов ускоряются заряженные частицы и сталкиваются друг с другом. Одним из самых популярных является Большой Адронный Коллайдер. И вот когда на большой скорости стали сталкивать разные частицы друг с другом, после столкновения стал рождаться целый букет новых частиц. Это говорит о том, что такие, казалось бы, неделимые элементарные частицы при столкновении разбиваются, и из них вылетает что-то новое.

Другое явление, которое подвергло сомнению неделимость протонов и нейтронов – бэта-распад (испускание электрона ядром). Вопрос, собственно, очевидный, и я его уже задавал – откуда вообще электрон берется в ядре? Оказалось, что нейтрон может превращаться в протон, а, чтобы общий заряд остался тем же, выделяется электрон, и антинейтрино, которое заряда не имеет. То есть существует процесс, при котором частицы могут превращаться одна в другую, представляете? А это значит, что меняется состав этих частиц, что снова говорит об их делимости.

Оказалось, что протоны и нейтроны состоят из более элементарных частиц – кварков.

Здесь начинается терминология, которая, вообще не имеет ничего общего с тем, к чему мы привыкли.

Кварки бывают шести видов: верхний (u), нижний (d), странный (s), очарованный (c), красивый (b) и истинный (t). Нас будут интересовать только верхний и нижний, т.к. из них состоят протоны и нейтроны. Все остальные кварки довольно специфичны, и входят в состав частиц, о которых вы никогда не слышали, и вряд ли когда-то услышите в обычной жизни.

Кварки имеют дробный заряд. Раньше мы считали, что элементарный заряд – это заряд электрона, и меньше этой величины зарядов не существует. Но кварки снова ломают наши представления о физике – величина их заряда либо ±1/3, либо ±2/3 заряда электрона.

Кварки имеют цвет. Конечно же, не в том смысле, в котором мы привыкли. Цвет – это особое квантовое состояние, которым обладают кварки. Смысл в том, что для всех частиц, из которых состоит вещество применим принцип Паули, о котором мы уже говорили. Он запрещает находится двум частицам в одном и том же состоянии. Поэтому введение цвета у кварков, позволяет находиться частицам одного типа, но разных цветов в составе протона или нейтрона. Более того, квантовая физика обязывает частицу, в состав которой входят кварки, не иметь цвета. Поэтому внутри протона и нейтрона находятся по три кварка разных цветов – красный, зеленый и синий. А сложение этих трех цветов приводит к белому (мы уже говорили об этом здесь). Так что цвет кварков – это абстракция для обхода принципа Паули.

Так как все вокруг состоит из строительных частиц – фермионов, u- и d-кварки вместе с электроном являются самыми элементарными фермионами на сегодняшний день.

Протон состоит из u+u+d кварков с зарядами +2/3e, +2/3e, -1/3e, в сумме дающих заряд +1e.

Нейтрон состоит из u+d+d кварков с зарядами +2/3e, -1/3e, -1/3e, в сумме дающих 0.

При бэта-распаде происходит чудо - один d-кварк в нейтроне превращается в u-кварк с испусканием электрона и антинейтрино, и образуется протон.

Магия!