Открытие новых частиц

До тридцатых годов 20-го века строение материи представлялось учёным удивительно простым: казалось, что «полный набор» частиц, из которых состоит всё вещество, составляют всего три частицы: протон, нейтрон и электрон. Поэтому их назвали «элементарными».

К числу элементарных частиц относили также фотон — переносчик электромагнитных взаимодействий.

Частицы и античастицы

Представление о «простом» устройстве мира разрушилось, когда в 1932 году открыли античастицу электрона — частицу, которая имеет такую же массу, что и электрон, но отличается от него знаком электрического заряда. Эту частицу назвали позитроном.

В дальнейшем выяснилось, что, кроме электрического заряда, элементарные частицы могут иметь и другие заряды, также сохраняющиеся при взаимодействиях. Например, нуклоны обладают барионным зарядом. Были открыты античастицы протона и нейтрона (их назвали антипротон и антинейтрон). Обе эти частицы обладают отрицательным барионным зарядом, а антипротон имеет отрицательный электрический заряд.

Согласно современным представлениям, у каждой частицы есть античастица. Частица и античастица имеют одинаковую массу, но противоположные знаки всех зарядов.

Античастица может совпадать с самими частицами. Примером такой частицы является фотон.

Взаимопревращения элементарных частиц

Долгое время физики считали само собой разумеющимся, что сложные микрообъекты состоят из более простых — подобно тому, как механизм состоит из деталей.

Чтобы выяснить, из чего состоят те или иные микрообъекты, физики, начиная с Резерфорда, «прощупывали» микрообъекты, бомбардируя их быстрыми частицами. Для этого создавали мощные ускорители, в которых заряженные частицы разгонялись до скоростей, чрезвычайно близких к скорости света!

Однако во второй половине 20-го века выяснилось, что при столкновениях частиц высокой энергии они не «раскалываются» на более простые частицы, а вместо этого рождаются новые частицы, в том числе ещё неизвестные. Массы рождённых частиц могут даже превышать массы сталкивающихся частиц.

Кроме того, оказалось, что частицы могут превращаться друг в друга.

Например, частица и античастица при столкновении аннигилируют, то есть исчезают, превращаясь в другие частицы (часто этими частицами являются фотоны). При этом, однако, выполняются все законы сохранения, в том числе законы сохранения энергии, импульса и электрического заряда. Например, при столкновении электрона и позитрона они могут превратиться в два γ-кванта.

Во второй половине 20-го века при исследовании космических лучей и в экспериментах на ускорителях новые частицы стали открывать десятками, и сегодня их число составляет уже несколько сотен.

Некоторые из вновь открытых частиц чрезвычайно корот- коживущие: они «живут» чуть больше времени, необходимого свету, чтобы пролететь сквозь атомное ядро.

Открываемые частицы по-прежнему называли элементарными. Но, как метко заметил ещё Ферми, становилось всё более очевидным, что понятие «элементарная» относится скорее к уровню наших знаний, чем к истинной природе частицы.