По признаку участия в фундаментальных взаимодействиях элементарные частицы делят на классы. Частицы, для которых основным типом взаимодействия является слабое15 относятся к классу лептонов. Это шесть частиц: электрон 
, электронное нейтрино 
, мюон 
, мюонное нейтрино 
, таон 
, таонное нейтрино 
и их античастицы: позитрон, 
, 
, 
, 
, 
. В процессах взаимодействия выполняется закон сохранения лептонного заряда. Квантовое число – лептонный заряд – для лептонов частиц равен 
, а для антилептонов 
. Например, для аннигиляции электрона и позитрона 
, закон сохранения заряда будет: 
. Все лептоны являются фермионами. Переносчиками слабого взаимодействия являются 
, 
, 
бозоны.16
К адронам относятся элементарные частицы, основным типом взаимодействия для которых является сильное взаимодействие.17 Адроны делятся на мезоны и барионы. К мезонам относятся 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, они характеризуются целым значением спина. Барионы имеют полуцелый спин, и для них, в отличие от мезонов, выполняется закон сохранения барионного зарада. Частице бариону приписывается единичный положительный барионный заряд 
, античастице – отрицательный 
. Суммарный барионный заряд до взаимодействия равен суммарному барионному заряду после взаимодействия. Барионы с массой, превышающей массу нейтрона, называются гиперонами. К их числу относят 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
, 
.
Вывод: в зависимости от того, какой тип взаимодействия является основным, элементарные частицы делятся на классы: фотоны, лептоны, мезоны, барионы. В настоящее время предпринимается попытка установить такую систематизацию элементарных частиц, которая позволила бы раскрыть глубинные фундаментальные связи между частицами, подобно тому как таблица Менделеева позволила систематизировать атомы в соответствии со строением их электронных оболочек.
Кварки
Результаты опытов по неупругому рассеянию электронов на протонах и нейтронах свидетельствует о пространственном распределении в них электрического заряда. Выделенные области могут перемещаться внутри нуклонов.18 Эти исследования подтверждали идею о существовании трех кварков – частиц, из которых строятся адроны. Идея была высказана в 1964 г. М.Геллманом и Д.Цвейгом. Согласно гипотезе, кварк с ароматом u имеет дробный положительный электрический заряд 
, кварки с ароматами d и s обладают отрицательным электрическим зарядом 
. Барионный заряд кварков одинаковый и равен 
. Кварки s и d различаются значением квантового числа, которое называют странностью S. У s кварка 
, а у u и d 
.
Ряд свойств кварков приводится в таблице.
Опеределим кварковый состав протона. Обозначим через x, y, z, количество кварков u, d, s, тогда с учетом того, что у протона 
, , можем записать
Решению системы соответствуют значения 
, 
, 
, таким образом, протон состоит из двух u кварков и одного d кварка u u d. Существуют частицы из трех кварков одного аромата, например состоит из трех s кварков19. Спин кварков равен 
, поэтому они подчиняются принципу Паули, согласно которому в квантовой системе не может быть двух одинаковых частиц. Чтобы снять возникшее противоречие, было введено понятие цветового заряда кварка. Цветовой заряд создает вокруг кварка цветовое поле и служит его источником. Одинаковые цветовые заряды отталкиваются, а противоположные – притягиваются. Каждый кварк может существовать в трех видах: красном, зеленом, синем. Все три цвета рассматриваются как равноправные. Процесс взаимодействия кварков сводится к обмену цветом. Переносчиками цветового заряда являются глюоны. Это бозоны20, со спином равным 1, масса покоя равна 0. Глюон является носителем комбинации цвет – антицвет21. Комбинаций цвет – антицвет возможно 6: 
, 
, 
, 
, 
, 
, предполагается наличие двух бесцветных глюонов.
При излучении или поглощении кварком глюона происходит смена цвета кварка. Например, при поглощении красным u кварком глюона 
, происходит нейтрализация красного цвета и кварк становится синим. Таким образом при сильных взаимодействиях меняется цвет кварка, а аромат остается неизменным.
Цветовое взаимодействие проявляется между кварками, но не между адронами. Любой барион цветонейтрален и состоит из трех ароматов. Мезоны состоят из кварка и антикварка с противоположными цветовыми зарядами. Ускоренный кварк излучает глюоны, которые сами, обладая цветовым зарядом, способны излучать глюоны. В этом состоит принципиальное отличие цветовых зарядов и полей от электрического заряда и электрического поля. Так, основной принцип электромагнитного поля – принцип суперпозиции – для цветовых полей не выполняется. Из-за этого цветовое взаимодействие между кварками тем меньше, чем они ближе друг к другу. Это свойство получило название асимптотической свободы, оно объясняет, почему нельзя выделить кварк из адрона. Если предпринимается такая попытка, то с увеличением расстояния взаимодействие будет возрастать.
Попытка продолжить разделение приводит к рождению новых адронов. Это явление получило название «конфайнмент». Следствием этого является то, что кварки не в состоянии удалиться друг от друга не расстояние 
м, но для бесцветных комбинаций это возможно, потому что их не удерживают глюонные поля22. При удалении на расстояния, превышающие радиус конфайнмента взаимодействие между адронами осуществляется путем обмена пионами23. Пион – нуклонное взаимодействие называют «остаточным» сильным взаимодействием, оно значительно слабее, чем сильное взаимодействие, обусловленное обменом глюонами.
В 1974 г. и в 1976 г. были открыты 
(джей-пси) и 
(ипсилон) частицы, для объяснения свойств которых были введены c и b кварки. В 1995 г. было экспериментально обосновано введение t кварка.
Вывод: теоретически предсказано и экспериментально подтверждено существование шести кварков, из которых состоят адроны. Ядра обычного вещества состоят из легчайших u и d кварков. Кварки обладают цветовым зарядом. Переносчиками цветового заряда являются глюоны. Из-за цветового взаимодействия глюонов между собой возникает явление асимптотической свободы, которое определяет характер взаимодействия кварков и объясняет невозможность выделения кварка в свободном виде. Экспериментально возможно изучать кварки только внутри адронов.
Суперобъединение
Гравитационное и электромагнитное взаимодействия имеют неограниченный радиус действия. Первое определяет процессы между космическими телами с большими массами. Электромагнитные силы при этом не проявляются, так как космические тела не заряжены. Внутри вещества на расстояниях сравнимых с размерами атомов доминирует электромагнитное взаимодействие. Из-за малости масс гравитационные силы ничтожно малы. На расстояниях сравнимых с размерами ядер включаются сильные взаимодействия, которые превосходят электромагнитные приблизительно в 103 раз. Радиус действия слабых взаимодействий ~10-18 м. При слабых взаимодействиях лептоны24 обмениваются промежуточными 
бозонами, существование которых экспериментально подтверждено в 1983 г. Кроме лептонов в слабых взаимодействиях принимают участие кварки. Так, например, процесс распада мюона отражает диаграмма Феймана (рис. 96.4)25
Кварки способны излучать и поглощать промежуточные бозоны: 
В таких процессах происходит изменение аромата кварка, однако цвет не меняется. Распад нейтрона отражает диаграмма (рис. 96.5)
Кварк, излучивший бозон, получает импульс, однако внутри протона его удерживают за счет сильного взаимодействия другие кварки. В результате импульс получает протон.
Согласно Ш.Глэшоу, С. Вайнбергу, А. Саламу на расстояниях ~10-18 м энергии слабого и электромагнитного взаимодействия сравниваются между собой и образуют единое электрослабое поле. Переносчиками электрослабого взаимодействия являются фотоны и промежуточные бозоны.26
Различие между слабым и электромагнитным взаимодействием стирается при 
Шелдон Глэшоу выдвинул гипотезу, согласно которой при переходе к энергиям 
должно произойти объединение электрослабого взаимодействия с сильным.
Вывод: с увеличением энергии частиц интенсивность слабого и электромагнитного взаимодействия возрастают неодинакова. Интенсивность слабого растет быстрее. При энергиях порядка 100 ГэВ интенсивности взаимодействий сравниваются. Это позволило ввести в рассмотрение единое электрослабое взаимодействие, что стало одним из главных достижений физики во второй половине XX в. Учитывая, что константа электрослабого взаимодействия с ростом энергии увеличивается, сильного убывает, можно предположить, что при определенных значениях энергии константы сравняются и эти взаимодействия станут неразличимыми. Такое слияние возможно при энергиях ~1015 ГэВ, что многократно превышает возможности современных ускорителей, поэтому подтверждение идеи Великого объединения будет связано с нетрадиционными методами физики электронных частиц.
Литература
Основная:
1. А.И. Наумов. Физика атомного ядра и элементарных частиц. 1984.
2. Э.А. Нерсесов. Основные законы атомной и ядерной физики. 1988.
3. К.Н. Мухин. Экспериментальная ядерная физика. 1984.
4. В.В. Маляров. Основы теории атомного ядра. 1977.
5. Е.И. Иродов. Задачи по квантовой физике. 1991.
6. Индивидуальное задание по физике ядра и элементарных частиц / под
ред. Дорожкина Н.Н. 2003.
7. А.А. Пинский. Физика. 2007.
8. Д.В. Сивухин Общий курс физики. Т5. 2007
Дополнительная:
1. Ю.М. Широков. Ядерная физика. 1980.
2. Э.В. Шпольский. Атомная физика. Ч. I, П. 1984.
3. П.Е. Колпаков. Основы ядерной физики. 1980
4. А.Н. Матвеев. Атомная физика. 1989.
5. Ф. Бопп. Введение в физику ядра, адронов и элементарных частиц. 1999.
6. ЕИТИРО Намбу. Кварки. 1984.
7.Э.И. Кэбин. и др.Физика ядра и частиц.Задачи с решениями. 2007.
8. В.Н. Семин. К решению задач пофизике ядра. Физика в школе.№2.2006.