Элементы физики элементарных частиц

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ  
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Новосибирск 2011 

УДК 53:(075) 
 
Составители: В.Я. Чечуев, С.В. Викулов  
 
Рецензенты д-р физ.-мат. наук, проф. кафедры «Физика 
и химия» НГАВТ М.П. Синюков, канд. физ.-мат. наук, 
В.И. Сигимов, НГАВТ 
 
Элементы физики элементарных частиц: учеб. 
пособие / Новосиб. гос. аграр. ун-т; сост. В.Я. Чечуев, 
С.В. Викулов.– Новосибирск, 2011. – 80 с. 
 
 
Учебное пособие предназначено для студентов дневной 
и заочной формы обучения всех факультетов НГАУ. 
Утверждено и рекомендовано к изданию методическим 
советом Инженерного института (протокол №14 от 25 января 2011 г.). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Новосибирский государственный  
аграрный университет, 2011 

 
2

ВВЕДЕНИЕ 
 
Учебное пособие содержит материал, изучаемый 
согласно программе в курсе общей физики. 
В нём кратко рассмотрена проблема элементарности. 
Качественно рассмотрены результаты решения уравнения 
Дирика для электрона. Подробно рассмотрены типы 
взаимодействий 
элементарных 
частиц 
и 
дана 
их 
классификация. Качественно изложена кварковая теория. 
Наряду 
со 
стандартной 
моделью 
рассмотрены 
основные идеи и трудности суперструнных теорий. 
 

 
3

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ 
 
Дать строгое определение понятия элементарной 
частицы оказывается затруднительным. В качестве первого 
приближения 
можно 
понимать 
под 
элементарными 
частицами такие микрочастицы, внутреннюю структуру 
которых на современном уровне развития физики нельзя 
представить как объединение других частиц. 
До конца XIX в. на роль элементарных частиц 
претендовали атомы («атом» в переводе с греческого 
означает «неделимый»). Однако в начале ХХ в. было 
показано, что атом состоит из электронов и ядра, которое, 
в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. 
Добавление к этим частицам фотонов и нейтрино 
позволило в начале 30-х годов ХХ в. на основе законов 
квантовой механики объяснить природу химических 
элементов, их соединений, испускаемых ими излучений, а 
также процессы радиоактивного распада. 
Казалось, что названные пять элементарных частиц 
являются, в конечном счёте, основными кирпичами 
мироздания.  
Но эта кажущаяся простота вскоре исчезла. Не прошло 
и года после открытия нейтрона, как был открыт позитрон. 
В 1936 г. среди продуктов взаимодействия космических 
лучей с веществом был обнаружен  - мезон. В 1947 г. был 
открыт  - мезон, а когда были построены ускорители, 
позволяющие получать частицы всё больших энергий, 
удалось открыть множество новых («субъядерных», т.е. не 
входящих в ядра и атомы) частиц. Их число в настоящее 
время приближается к 400 и, скорее всего, неограниченно 
велико. 
И всё это множество частиц принято называть 
«элементарными частицами». Такой термин не означает, 
что эти частицы являются кирпичиками мироздания в том 

 
4

смысле, что все они образуют атомы: с этой задачей 
вполне 
удовлетворительно 
справляются 
протоны, 
нейтроны и электроны. Однако эти частицы возникают в 
результате основных взаимодействий частиц обычного 
вещества, и многие из них прямым или косвенным образом 
участвуют в основных взаимодействиях в обычном 
веществе. Существование этих частиц скоротечно, ни одна 
из них (кроме позитрона) не живёт дольше нескольких 
микросекунд, а многие частицы распадаются примерно 
через 10-23 с после своего образования. Конечные 
продукты распадов этих частиц – обычные составные 
части вещества, т.е. протоны, электроны, фотоны, а также 
нейтрино. В настоящее время частицы, претендующие на 
роль первичных элементов материи, принято называть 
истинно элементарными. 
По современным представлениям таких частиц 48: 36 
кварков и 12 лептонов. 
Существуют ли ещё более глубокие уровни строения 
материи, 
неизвестно, 
хотя 
такие 
возможности 
обсуждаются 
и 
даже 
строятся 
конкретные 
модели 
(субкварки, преоны, ришоны и др.). Этот важнейший 
вопрос может быть решён только экспериментально. Из 
соотношения неопределённостей 

~
p
r 


 следует, что 
для выявления деталей структуры с размером порядка 
r
  
нужны зондирующие частицы с импульсами р, не 

меньшими 
.
~
r
р


  Таким образом, для изучения очень 

мелких деталей нужны частицы с очень большими 
энергиями. Максимальные значения энергии, достигнутые 
в 
ускорительных 
лабораториях 
сейчас, 
составляют 



эВ
ГэВ
ГэВ
9
3
10
1
10
~

r
19
10
~

, чему отвечают минимальные 
расстояния 
. 
На 
этих 
расстояниях 
вышеуказанные истинно элементарные частицы ещё не 
выявляют внутренней структуры. Но конструируются 

м

 
5

ускорители, которые позволят проникнуть вглубь материи 
на ещё меньшие расстояния. С их помощью надеются 
выяснить, в частности, столь ли уж фундаментальны на 
самом деле кварки и лептоны. 
 
 
ЧАСТИЦЫ И АНТИЧАСТИЦЫ 
 
Возникновение  теории элементарных частиц можно 
отнести 
к 
1928 
г., 
когда 
Дирак 
ввёл 
теорию 
относительности в квантовую теорию. 
В результате он установил релятивистское квантовомеханическое уравнение для электрона. С его помощью 
удалось разрешить затруднения с введением в квантовую 
теорию понятия спина и со значением магнитного момента 
электрона. 
Оказалось, 
что 
в 
теории 
Дирака 
нет 
необходимости постулировать спин и магнитный момент 
электрона, так как их существование является следствием 
самого уравнения. При этом уравнение предсказывает 
именно 
то 
значение 
магнитного 
момента, 
которое 
получается из опыта (напомним – теория Бора давала 
вдвое меньшее значение). 
Особенно значительным достижением Дирака следует 
считать предсказание позитрона – античастицы по 
отношению к электрону. Анализируя своё уравнение, 
Дирак пришёл к выводу, что для каждого значения 
импульса р оно имеет два решения, соответствующих двум 
значениям полной энергии электрона: 

 
Рис. 1 

E>0

2
c
e
m


2
с
е
т

 

E=0

E<0

 
6

,
2
2
4
2
2

2
2
4
2
1

с
р
с
т
Е

и
с
р
с
т
Е

е

е








 
(1) 

где 
  масса электрона. Отсюда, при 
0
е
т

р

2
с
те


0

 электрон 

может иметь энергию 
, так что 

. 
При 
 
разность 
энергий 

. Возможные значения энергии электрона 
можно 
изобразить 
схематически 
в 
виде 
двух 
заштрихованных областей, находящихся на расстоянии 
друг от друга (рис. 1). Из анализа уравнения 
следовало, что оба решения совершенно равноправны, т.е. 
электрон может находиться не только в верхней области 
рисунка, где 
, но и в нижней, где 

2
2
1
Е
и
с
т
Е
е



0

р
2
1
2
с
т
Е
е 



2
1
2
c
m
E
e



2те


Е

2
Е

2
E

2
с

0

E
; он также 
может переходить из одной области в другую. 
Конечно, Дирак понимал, что результат, который у 
него получился, выглядит странно. Ведь частица с 
отрицательной 
полной 
энергией 
– 
это 
частица 
с 
отрицательной массой 

2
тс
Е 
. А согласно классической 
механике 
(второй 
закон 
Ньютона), 
частица 
с 
отрицательной массой под действием тормозящей силы 
должна ускоряться. Также переходя в состояния со всё 
меньшей энергией, она могла бы выделять энергию, 
скажем, в виде излучения, причём, поскольку Е  ничем не 
ограничен, частица с отрицательной массой могла бы 
излучить бесконечно большое количество энергии. Однако 
оба эти явления в экспериментах никогда не наблюдались. 
Ввиду этих трудностей следовало, казалось бы, 
исключить состояния с отрицательной энергией из 
рассмотрения. Дирак же выбрал другой путь. Он 
предположил, что состояния с отрицательной энергией и 
массой действительно существуют, но поскольку им 

 
7

соответствуют 
минимальные 
значения 
энергии, 
они 
полностью заполнены электронами, так что образуется 
сплошной ненаблюдаемый фон необычных 

0

т
с
 
электронов (положение о полном заполнении уровней 
опирается на принцип Паули). 
Предположим далее, что мы сообщили (например, с 
помощью  -кванта) одному из необычных электронов 
энергию 
, 
достаточную 
для 
перемещения 
электрона из области 

2
2
c
me

Е
0

E
 в область 
 (см. рис. 1). 
Такая операция разрешается уравнением. Тогда в верхней 
области появится ещё один обыкновенный 

0

E



0
,0


m
Е
 
электрон, а из нижней области исчезнет один необычный 
, т.е. там возникнет «дырка» в сплошном 
фоне. Легко сообразить, что дырка будет обладать 
свойствами обычной частицы массой 



0
,0


m
E



0

m
, равной 
массе 
электрона, 
но 
с 
противоположным 
ему 
электрическим 
зарядом. 
Как 
же 
движется 
дырка? 
Обязательно навстречу необычному электрону, т.к. она 
может занять место электрона только после того, как он 
сам займёт место дырки. Это так же, как при игре в 
шашки: когда шашка (необычный электрон) передвигается 
вперёд на свободную клетку (дырка), то свободная клетка 
оказывается сзади шашки, т.е. она как бы передвигается ей 
навстречу. Но это означает, что дырка движется не против 
силы (как необычный электрон), а по силе, т.е. она ведёт 
себя как нормальная частица с положительной массой. 
Естественно, что масса дырки в точности равна массе 
электрона, и она имеет противоположный по знаку и 
равный 
по 
значению 
электрический 
заряд 
(+е). 
Действительно, 
если 
из 
ненаблюдаемого 
фона 
отрицательно заряженных электронов с отрицательными 
массами извлечь один электрон, то в фоне не будет хватать 
одного отрицательного электрического заряда и одной 

 
8

отрицательной массы электрона. В результате этого фон 
перестанет быть ненаблюдаемым и обнаружит себя как 
частица с положительной массой, равной массе электрона, 
и единичным положительным электрическим зарядом.   
Так был предсказан позитрон, а в 1932 г. он был открыт 
Андерсоном в составе космического излучения. Его след 
был обнаружен на одной из фотографий, сделанных с 
помощью камеры Вильсона в магнитном поле. 
Открытие 
подтвердило 
правильность 
квантовомеханического уравнения Дирака. Одновременно его 
можно рассматривать как подтверждение принципа Паули, 
который был использован в рассуждениях Дирака. 
Последующие 
измерения 
параметров 
позитрона 
показали, что он действительно имеет массу, равную 
массе электрона, у него противоположный электрону 

электрический 
заряд 
(+е), 
тот 
же 
спин 






2
1  
и 

противоположный магнитный момент, он стабилен, т.е. 
живёт в вакууме бесконечно долго. 
Две частицы, имеющие тождественную массу, время 
жизни и спин, но противоположные электрический заряд, 
магнитный момент и некоторые другие заряды, о которых 
мы 
будем 
говорить 
позже, 
называют 
частицей 
и 
античастицей по отношению друг к другу. Электрон и 
позитрон являются примером частицы и античастицы. 
На примере рассуждения с дыркой мы видели, что 
частицы и античастицы рождаются вместе, парами. 
Нетрудно убедиться, что погибают они тоже вместе. 
Обратимся снова к рис. 1 и рассмотрим процесс перехода 
одного электрона из области 
на свободное место (в 
дырку) в области 
0

E
0

E
. В этом процессе одновременно 
исчезают в верхней области электрон, а в нижней дырка, 
т.е. позитрон. Но зато при этом освобождается энергия   
2
2
1
2
c
m
E
E
E
e




, 
(2) 

 
9

которая реализуется в виде энергии излучения двух  квантов. 
Описанный 
процесс 
превращения 
электрона 
и 
позитрона в два  -кванта той же суммарной энергии 
называется аннигиляцией. В переводе слово «аннигиляция» 
означает 
«уничтожение», 
но 
нужно 
понимать, 
что 
никакого уничтожения материи и энергии в этом процессе 
не происходит, просто энергия покоя электрона и 
позитрона превращается в энергию двух (реже трёх)  квантов: 












е
е
 
(3) 
Аннигиляция электрон-позитронных пар – отнюдь не 
редкое явление, потому что в нашем мире довольно много 
позитронов. 
Позитроны 
образуются 
при 
распаде 
положительных мюонов, которых много в составе 
космического излучения, и в пучках частиц, получаемых 
на ускорителях; позитроны образуются также при 
распаде 
искусственно-радиоактивных 
ядер. 
Наконец, 
позитроны можно получить по рассмотренной нами схеме 
при прохождении 




 -излучения через вещество, т.е. при 
преобразовании  -квантов высокой энергии в электронпозитронные пары. 
При этом для соблюдения закона сохранения импульса 
в процессе рождения пары должна участвовать ещё одна 
частица (электрон или ядро), которая воспринимает 
избыток импульса  -фотона над суммарным импульсом 
электрона и позитрона. Следовательно, схема рождения 
имеет вид 








е
е
е
е

 
(4) 
либо  

 



е
е



, 
(5) 

 
10