Елементарни частици

    Обяснението на света минава задължително през търсенето и изследването на основните съставни части на материята. 
 
Кои частици наричаме елементарни?
 
Под елементарна частица се разбира частица, за която няма експериментални доказателства, че има вътрешна структура, т.е. не е съставена от други по-малки частици. Те са основните градивни блокчета — фундаменти, от които са изградени частици като протоните или неутроните.
    Нашето разбиране за структурата на материята се развива постепенно. Стъпка по стъпка се оказва, че светът е подреден не така, както изглежда на пръв поглед и че сложността на едно ниво може да бъде по-лесно обяснена като се детайлизира и премине на следващото ниво. 
    Какво се случи досега?
    Спорът за структурата на материята е от преди повече от две хиляди години. Според Аристотел материята е непрекъсната, делимостта на веществото е безкрайна, а според Демокрит: съществува една граница на делене на материята – атомът. Поддръжниците на атомистичната теория (Демокрит, Левкип, Анаксагор, Анаксимандър, Епикур) са смятали, че многообразието на света е нищо друго освен комбинация на неизменни частици – атомите.
    Доста по-късно било открито, че атомът се състои от ядро и електрони. 1897 г. Дж. Томсън открива електрона. Томсън предполага, че атомите, а оттам и цялата материя са съставени от отрицателни електрони, вградени в положителни сфери като сливи в пудинг.
    1911г. Ърнест Ръдърфорд бомбардирайки атомите на златно фолио с алфа частици установява, че атомът се състои от свръхплътно компактно ядро с положителен заряд и отрицателно заредени леки електрони около него и ядрото се оказва “делимо” на протони и неутрони. През 1919 г. Ръдърфорд в продуктите от разпада на атомните ядра на някои елементи открива протоните. През 1932 г. Джеймс Чадуик открива неутрона.  
    В космически лъчи през 1937 г. са били открити частици с маса от 207 пъти масата на електрона, наречени мюони (μ-мезони). След това, през годините 1947-1950 били открити пионите (т.е. π-мезони), които според съвременните представи, осъществяват взаимодействието между нуклоните (частиците на ядрото – протони и неутрони), било открито и изследвано взаимното превръщане на протони и неутрони и става ясно, че тези частици не са “неделими” елементарни частици. През 1964 г. независимо един от друг Мъри Гел-Ман и Георг Цвайг предложили модела на кварките – частици, от които може би се състоят адроните – протони, неутрони и други.
    През следващите години благодарение на развитието на технологията на ускорителите, изследването на космическите лъчи и ядрените реакции, броят на новооткритите частици бързо се разраства и вече броят на елементарните частици е вече над 400. Те са наистина неделими, но не всички са фундаментални, т.е. основни, без вътрешна структура. Повечето от тези частици са изключително нестабилни и след много кратък интервал от време, наречен време на живот, се разпадат на други частици.
    В многообразието на елементарните частици се открива повече или по-малко стройна система на класификация. 
 
Класификация на елементарните частици
    Всички елементарни частици могат да бъдат разделени на три групи (семейства): фотони, лептони и адрони.
    В таблица 3  са систематизирани някои от основните характеристики на частици от трите семейства. За название на повечето от тях се използват букви от гръцката азбука. Горе вляво на буквата се поставя знак „+“, „-„ или „0“, който показва какъв е електричният заряд на частицата.   
 
Фотони
    По свойствата си и начина на взаимодействие фотоните не могат да бъдат обединени в група с други частици и се разглеждат самостоятелно. Те имат маса в покой нула.
 
Лептони (от гр. λεπτοs – малък, лек) 
    Лептоните са частици с най-малки размери (~ 10-19 m) и без вътрешна структура. Тяхното семейство е най-малобройно. Досега са открити само три вида заредени лептона: електрон, мюон и тау-лептон. На всеки от тях съответства по един вид неутрино: електронно неутрино, мюонно неутрино и тау-неутрино. Всички лептони могат да участват в т. нар. слабо ядрено взаимодействие, което е открито във връзка с β-разпадането. Лептоните, които имат електричен заряд ( , , ), участват в електромагнитно взаимодействие.
    Мюонът е подобен на електрона, но има маса около 200 пъти по-голяма от масата на електрона и се разпада за около 10-6 s. Тау-лептонът е открит през 1975 г., има маса, два пъти по-голяма от масата на протона, и се разпада за 10-13 s. 
    Неутриното няма електричен заряд. Все още не е ясно дали масата на неутриното е нула или е много малка. Масата на неутриното е важна за обяснение на феномена тъмна материя в космологията, тъй като е възможно концентрацията на неутрино във Вселената да е достатъчно висока, за да повлияе на средната плътност.
    Неутриното има много голяма проникваща способност във веществото – например почти безпрепятствено преминава през Земята, Слънцето и другите небесни тела. То може да измине разстояние, равно на една цяла светлинна година, без да взаимодейства.
    След като е електронеутрален лептон, неутриното участва само в слабо и гравитационно взаимодействие. 
    Смята се, че лептоните са безструктурни, т.е. не са изградени от други частици. Затова те се разглеждат като истински елементарни частици.
    Пристигащите до Земята потоци от неутрино носят информация за ранните стадии от развитието на Вселената, за процесите в недрата на звездите и Слънцето и др.
 
Адрони
    Адроните са частици, които участват в силното ядрено взаимодействие. Те имат вътрешна структура – съставени са от кварки. В свободно състояние всички адрони с изключение на протона са нестабилни и се разпадат на други частици. В зависимост от продуктите на разпадането си адроните могат да бъдат разделени на две подгрупи: бариони и мезони.    
 
1. Бариони (от гр. βαρυς – тежък)
Барионите са тежки частици, при разпадането на които се получава поне един протон.
    Освен протона и неутрона към пази подгрупа спадат ламбда (Λ), сигма (Σ), кси (Ξ), омега (Ω) и др.
 
2. Мезони (от гр. μεσος – среден)
Мезоните се дефинират като частици, в разпадните продукти на които няма бариони.
    Основната разлика между барионите и мезоните е тяхната вътрешна структура. Барионите са изградени от три кварка, а мезоните от – два.
 
Античастици
    През 1932 година американският физик Карл Андерсън изследва взаимодействието на космическите лъчения - потоци от протони с висока енергия с горните слоеве на земната атмосфера. Като основен инструмент той използва камерата на Чарлз Уилсън разположена в магнитно поле.
Следите, оставени в камерата приличат на тези на електрона, но се отклоняват в противоположна посока под действието на магнитното поле - свидетелство за противоположен електрически заряд. От анализа на получените резултати Андерсън прави извод, че е открил нова частица, която нарекъл позитрон (е+). По свойствата си позитронът е идентичен на електрона (е-) – има същата маса, но притежава положителен елементарен заряд. Позитроните не изграждат познатата ни материя и са наречениантичастици (антиматерия). За откритието си Андерсън получава Нобелова награда по физика през 1936 год.
    Всъщност теоретично съществуването на позитрона е предсказано още през 1928 година от известния със скромността си английския физик Пол Дирак (лауреат на Нобелова награда за 1933 години съвместно с Ервин Шрьодингер). Според теорията на Дирак електронът и позитронът се раждат по двойки, при което се изразходва  енергия, равна на общата енергия на покой на тези частици (2 . 511 keV). Когато го попитали по-късно, защо не е обявил съществуването на позитрона, Дирак отговорил: „- От чиста страхливост.“
    Днес е известно, че всички елементарни частици имат съответни античастици (протон – антипротон, неутрон - антинеутрон, неутрино – антинеутрино, кварк – антикварк и т.н.)
 
Анихилация
    Взаимодействието на частица с нейната античастица е процес наречен  анихилация (взаимно унищожаване) – двете частици престават да съществуват, а на тяхно място се получават фотони с енергия, съответстваща на енергията на двете частици. В процеса на анихилация са в сила фундаменталните закони за запазване в природата: на енергията, импулса, електричния заряд и др. Например, когато позитрон се сблъска с електрон, настъпва анихилация, като в резултат се излъчват два фотона (гама–кванти) в противоположни посоки, всеки с енергия 511 keV (равна на енергията на покой на унищожените частици). 
е- + е+ →  γ + γ
    Това е процес на превръщане на веществото в лъчение. Обратният процес, при който от γ-квант се ражда двойка електрон-позитрон, също се осъществява:
γ → е+ + е-.
    Необходимо е γ-квантът да има достатъчна енергия за създаване на двете частици, а за да се запазва импулсът, този процес се осъществява в присъствието на тежко ядро. Това е процес, при който от лъчението се получава вещество. Процесите на анихилация и раждане на двойка електрон-позитрон показва дълбокото единство на веществената и лъчевата (полевата) форма на съществуването на материята.
    Античастиците се раждат чрез взаимодействия (удари) между частици с голяма кинетична енергия в естествени условия или в съвременните ускорители. През 2011 година г. физиците от CERN успяха да задържат атоми антиводород в продължение близо 17 минути.
    Според думите на Стивън Хокинг, ако срещнете своето анти- аз, не му подавайте ръка, защото на мига ще изчезнете и ще се превърнете в чиста енергия.