Все Э. ч. являются объектами исключительно малых масс и размеров. У

большинства из них массы имеют порядок величины массы протона, равной

1,6×10^-24 г (заметно меньше лишь масса электрона: 9×10

^-28
г). Определённые из опыта размеры протона, нейтрона, p-мезона по

порядку величины равны 10^-13 см. Размеры электрона и мюона

определить не удалось, известно лишь, что они меньше 10^-15 см.

Микроскопические массы и размеры Э. ч. лежат в основе квантовой специфики их

поведения. Характерные длины волн, которые следует приписать Э. ч. в квантовой

теории ( , где

     - постоянная Планка, m - масса частицы, с - скорость света) по порядку

величин близки к типичным размерам, на которых осуществляется их взаимодействие

(например, для p-мезона

     1,4×10^-13 см). Это и приводит к тому, что квантовые

закономерности являются определяющими для Э. ч.

     Наиболее важное квантовое свойство всех Э. ч. - их способность рождаться и

уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с др. частицами. В

этом отношении они полностью аналогичны фотонам. Э. ч. - это специфические

кванты материи, более точно - кванты соответствующих физических полей (см.

ниже). Все процессы с Э. ч. протекают через последовательность актов их

поглощения и испускания. Только на этой основе можно понять, например, процесс

рождения p⁺-мезона при столкновении двух протонов (р + р ® р + n+ p

⁺
) или процесс аннигиляции электрона и позитрона, когда взамен исчезнувших

частиц возникают, например, два g-кванта (е⁺ +е^- ® g +

g). Но и процессы упругого рассеяния частиц, например е^- +p ® е

^-
+ р, также связаны с поглощением начальных частиц и рождением конечных

частиц. Распад нестабильных Э. ч. на более лёгкие частицы, сопровождаемый

выделением энергии, отвечает той же закономерности и является процессом, в

котором продукты распада рождаются в момент самого распада и до этого момента

не существуют. В этом отношении распад Э. ч. подобен распаду возбуждённого

атома на атом в основном состоянии и фотон. Примерами распадов Э. ч. могут

служить:

     ; p⁺ ® m⁺ + v_m; К⁺ ® p⁺

+ p⁰ (знаком "тильда" над символом частицы здесь и в дальнейшем

помечены соответствующие античастицы).

     Различные процессы с Э. ч. заметно отличаются по интенсивности протекания. В

соответствии с этим взаимодействия Э. ч. можно феноменологически разделить на

несколько классов: сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия. Все Э. ч.

обладают, кроме того, гравитационным взаимодействием.

     Сильные взаимодействия выделяются как взаимодействия, которые порождают

процессы, протекающие с наибольшей интенсивностью среди всех остальных

процессов. Они приводят и к самой сильной связи Э. ч. Именно сильные

взаимодействия обусловливают связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и

обеспечивают исключительную прочность этих образований, лежащую в основе

стабильности вещества в земных условиях.

     Электромагнитные взаимодействия характеризуются как взаимодействия, в основе

которых лежит связь с электромагнитным полем. Процессы, обусловленные ими,

менее интенсивны, чем процессы сильных взаимодействий, а порождаемая ими связь

Э. ч. заметно слабее. Электромагнитные взаимодействия, в частности,

ответственны за связь атомных электронов с ядрами и связь атомов в молекулах.

     Слабые взаимодействия, как показывает само название, вызывают очень медленно

протекающие процессы с Э. ч. Иллюстрацией их малой интенсивности может служить

тот факт, что нейтрино, обладающие только слабыми взаимодействиями,

беспрепятственно пронизывают, например, толщу Земли и Солнца. Слабые

взаимодействия обусловливают также медленные распады т. н. квазистабильных Э.

ч. Времена жизни этих частиц лежат в диапазоне 10^-8-10^-10

сек, тогда как типичные времена для сильных взаимодействий Э. ч. составляют 10

^-23
-10^-24 сек.

     Гравитационные взаимодействия, хорошо известные по своим макроскопическим

проявлениям, в случае Э. ч. на характерных расстояниях ~10^-13 см

дают чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс Э. ч.

     Силу различных классов взаимодействий можно приближённо охарактеризовать

безразмерными параметрами, связанными с квадратами констант соответствующих

взаимодействий. Для сильных, электромагнитных, слабых и гравитационных

взаимодействий протонов при средней энергии процесса ~1 Гэв эти параметры

соотносятся как 1:10^-2: l0^-10:10^-38.

Необходимость указания средней энергии процесса связана с тем, что для слабых

взаимодействий безразмерный параметр зависит от энергии. Кроме того, сами

интенсивности различных процессов по-разному зависят от энергии. Это приводит к

тому, что относительная роль различных взаимодействий, вообще говоря, меняется

с ростом энергии взаимодействующих частиц, так что разделение взаимодействий на

классы, основанное на сравнении интенсивностей процессов, надёжно

осуществляется при не слишком высоких энергиях. Разные классы взаимодействий

имеют, однако, и другую специфику, связанную с различными свойствами их

симметрии (см. Симметрия в физике), которая способствует их разделению и при

более высоких энергиях. Сохранится ли такое деление взаимодействий на классы в

пределе самых больших энергий, пока остаётся неясным.

     В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействий все изученные Э.

ч., за исключением фотона, разбиваются на две основные группы: адроны (от

греческого hadros - большой, сильный) и лептоны (от греческого leptos - мелкий,

тонкий, лёгкий). Адроны характеризуются прежде всего тем, что они обладают

сильными взаимодействиями, наряду с электромагнитными и слабыми, тогда как

лептоны участвуют только в электромагнитных и слабых взаимодействиях. (Наличие

общих для той и другой группы гравитационных взаимодействий подразумевается.)

Массы адронов по порядку величины близки к массе протона (т_р);

минимальную массу среди адронов имеет p-мезон: т_p"м 1/7×т

_р
. Массы лептонов, известных до 1975-76, были невелики (

     0,1 m_p), однако новейшие данные, видимо, указывают на возможность

существования тяжёлых лептонов с такими же массами, как у адронов. Первыми

исследованными представителями адронов были протон и нейтрон, лептонов -

электрон. Фотон, обладающий только электромагнитными взаимодействиями, не может

быть отнесён ни к адронам, ни к лептонам и должен быть выделен в отд. группу.

По развиваемым в 70-х гг. представлениям фотон (частица с нулевой массой покоя)

входит в одну группу с очень массивными частицами - т. н. промежуточными

векторными бозонами, ответственными за слабые взаимодействия и пока на опыте не

наблюдавшимися (см. раздел Элементарные частицы и квантовая теория поля).

                Характеристики элементарных частиц.               

     Каждая Э. ч., наряду со спецификой присущих ей взаимодействий, описывается

набором дискретных значений определённых физических величин, или своими

характеристиками. В ряде случаев эти дискретные значения выражаются через целые

или дробные числа и некоторый общий множитель - единицу измерения; об этих

числах говорят как о квантовых числах Э. ч. и задают только их, опуская единицы

измерения.

     Общими характеристиками всех Э. ч. являются масса (m), время жизни (t), спин

(J) и электрический заряд (Q). Пока нет достаточного понимания того, по какому

закону распределены массы Э. ч. и существует ли для них какая-то единица

измерения.

     В зависимости от времени жизни Э. ч. делятся на стабильные, квазистабильные и

нестабильные (резонансы). Стабильными, в пределах точности современных

измерений, являются электрон (t > 5×10²¹ лет), протон (t

> 2×10³⁰ лет), фотон и нейтрино. К квазистабильным относят

частицы, распадающиеся за счёт электромагнитных и слабых взаимодействий. Их

времена жизни > 10^-20 сек (для свободного нейтрона даже ~ 1000

сек). Резонансами называются Э. ч., распадающиеся за счёт сильных

взаимодействий. Их характерные времена жизни 10^-23-10^-24

сек. В некоторых случаях распад тяжёлых резонансов (с массой ³ 3 Гэв) за

счёт сильных взаимодействий оказывается подавленным и время жизни увеличивается

до значений - ~10^-20 сек.

     Спин Э. ч. является целым или полуцелым кратным от величины

     . В этих единицах спин p- и К-мезонов равен 0, у протона, нейтрона и

электрона J= 1/2, у фотона J = 1. Существуют частицы и с более высоким спином.

Величина спина Э. ч. определяет поведение ансамбля одинаковых (тождественных)

частиц, или их статистику (В. Паули, 1940). Частицы полуцелого спина

подчиняются Ферми - Дирака статистике (отсюда название фермионы), которая

требует антисимметрии волновой функции системы относительно перестановки пары

частиц (или нечётного числа пар) и, следовательно, "запрещает" двум частицам

полуцелого спина находиться в одинаковом состоянии (Паули принцип). Частицы

целого спина подчиняются Бозе - Эйнштейна статистике (отсюда название бозоны),

которая требует симметрии волновой функции относительно перестановок частиц и

допускает нахождение любого числа частиц в одном и том же состоянии.

Статистические свойства Э. ч. оказываются существенными в тех случаях, когда

при рождении или распаде образуется несколько одинаковых частиц. Статистика

Ферми - Дирака играет также исключительно важную роль в структуре ядер и

определяет закономерности заполнения электронами атомных оболочек, лежащие в

основе периодической системы элементов Д. И. Менделеева.

     Электрические заряды изученных Э. ч. являются целыми кратными от величины е

"1,6×10^-19 к, называются элементарным электрическим зарядом. У

известных Э. ч. Q = 0, ±1, ±2.

     Помимо указанных величин Э. ч. дополнительно характеризуются ещё рядом

квантовых чисел, называются внутренними. Лептоны несут специфический лептонный

заряд L двух типов: электронный (L_e) и мюонный (L_m); L

_e
= +1 для электрона и электронного нейтрино, L_m= +1 для

отрицательного мюона и мюонного нейтрино. Тяжёлый лептон t; и связанное с ним

нейтрино, по-видимому, являются носителями нового типа лептонного заряда L

_t
.

     Для адронов L = 0, и это ещё одно проявление их отличия от лептонов. В свою

очередь, значительные части адронов следует приписать особый барионный заряд В

(|Е| = 1). Адроны с В = +1 образуют подгруппу барионов (сюда входят протон,

нейтрон, гипероны, барионные резонансы), а адроны с В = 0 - подгруппу мезонов

(p- и К-мезоны, бозонные резонансы). Название подгрупп адронов происходит от

греческих слов barýs - тяжёлый и mésos - средний, что на

начальном этапе исследований Э. ч. отражало сравнительные величины масс

известных тогда барионов и мезонов. Более поздние данные показали, что массы

барионов и мезонов сопоставимы. Для лептонов В = 0. Для фотона В = 0 и L = 0.

     Барионы и мезоны подразделяются на уже упоминавшиеся совокупности: обычных

(нестранных) частиц (протон, нейтрон, p-мезоны), странных частиц (гипероны,

К-мезоны) и очарованных частиц. Этому разделению отвечает наличие у адронов

особых квантовых чисел: странности S и очарования (английское charm) Ch с

допустимыми значениями: 151 = 0, 1, 2, 3 и |Ch| = 0, 1, 2, 3. Для обычных

частиц S = 0 и Ch = 0, для странных частиц |S| ¹ 0, Ch = 0, для

очарованных частиц |Ch| ¹ 0, а |S| = 0, 1, 2. Вместо странности часто

используется квантовое число гиперзаряд Y = S + В, имеющее, по-видимому, более

фундаментальное значение.

     Уже первые исследования с обычными адронами выявили наличие среди них

семейств частиц, близких по массе, с очень сходными свойствами по отношению к

сильным взаимодействиям, но с различными значениями электрического заряда.

Протон и нейтрон (нуклоны) были первым примером такого семейства. Позднее

аналогичные семейства были обнаружены среди странных и (в 1976) среди

очарованных адронов. Общность свойств частиц, входящих в такие семейства,

является отражением существования у них одинакового значения специального

квантового числа - изотопического спина I, принимающего, как и обычный спин,

целые и полуцелые значения. Сами семейства обычно называются изотопическими

мультиплетами. Число частиц в мультиплете (п)связано с I соотношением: n = 2I +

1. Частицы одного изотопического мультиплета отличаются друг от друга значением

              "проекции" изотопического спина I₃, и              

     Важной характеристикой адронов является также внутренняя чётность Р,

связанная с операцией пространств, инверсии: Р принимает значения ±1.

     Для всех Э. ч. с ненулевыми значениями хотя бы одного из зарядов О, L, В, Y

(S) и очарования Ch существуют античастицы с теми же значениями массы т,

времени жизни t, спина J и для адронов изотопического спина 1, но с

противоположными знаками всех зарядов и для барионов с противоположным знаком

внутренней чётности Р. Частицы, не имеющие античастиц, называются абсолютно

(истинно) нейтральными. Абсолютно нейтральные адроны обладают специальным

квантовым числом - зарядовой чётностью (т. е. чётностью по отношению к операции

зарядового сопряжения) С со значениями ±1; примерами таких частиц могут служить

фотон и p⁰.

     Квантовые числа Э. ч. разделяются на точные (т. е. такие, которые связаны с

физическими величинами, сохраняющимися во всех процессах) и неточные (для

которых соответствующие физические величины в части процессов не сохраняются).

Спин J связан со строгим законом сохранения момента количества движения и

потому является точным квантовым числом. Другие точные квантовые числа: Q, L,

В; по современным данным, они сохраняются при всех превращениях Э. ч.

Стабильность протона есть непосредственное выражение сохранения В (нет,

например, распада р ® е⁺ + g). Однако большинство квантовых чисел

адронов неточные. Изотопический спин, сохраняясь в сильных взаимодействиях, не

сохраняется в электромагнитных и слабых взаимодействиях. Странность и

очарование сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но не

сохраняются в слабых взаимодействиях. Слабые взаимодействия изменяют также

внутреннюю и зарядовую чётности. С гораздо большей степенью точности

сохраняется комбинированная чётность СР, однако и она нарушается в некоторых

процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями. Причины, вызывающие

несохранение многих квантовых чисел адронов, неясны и, по-видимому, связаны как

с природой этих квантовых чисел, так и с глубинной структурой электромагнитных

и слабых взаимодействий. Сохранение или несохранение тех или иных квантовых

чисел - одно из существенных проявлений различий классов взаимодействий Э. ч.