Размер элементарной частицы

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи ВП)

Стандартная модель элементарных частиц

В рамках Стандартной модели элементарные частицы делятся на два качественно разных вида: переносчики взаимодействия, которыми являются калибровочные бозоны (фотон, W- и Z-бозоны и 8 глюонов), и частицы вещества, представленные двумя группами: кварки и лептоны. Кварки, в отличие от лептонов, не были обнаружены в свободном состоянии (это объясняется теорией конфайнмента в рамках квантовой хромодинамики). Поэтому калибровочные бозоны, кварки и лептоны являются точечными (бесструктурными) вплоть до масштабов порядка 10⁻¹⁸ м[1]. В процессе адронизации из кварков (а также антикварков) и глюонов формируются адроны[2]. Этот класс составных частиц делится на две группы: барионы (состоят из 3 кварков) и мезоны (состоят из кварка и антикварка). Наиболее легкими и стабильными из барионов являются нуклоны, составляющие ядро атома, и представленные протоном и нейтроном. К мезонам относятся пионы (π-мезоны), каоны (K-мезоны) и многие другие. Ввиду большого разнообразия элементарных частиц, их размеры сильно отличаются.

Для калибровочных бозонов, кварков и лептонов в пределах точности выполненных измерений окончательно размеры не были обнаружены. Это означает, что их размеры меньше 10⁻¹⁸ м (пояснение см. выше). Если в дальнейших экспериментах окончательные размеры этих частиц не будут обнаружены, то это может свидетельствовать о том, что размеры калибровочных бозонов, кварков и лептонов близки к фундаментальной длине (которая весьма вероятно[3] может оказаться планковской длиной, равной 1,6⋅10⁻³⁵ м).

В отличие от бесструктурных частиц, размеры адронов вполне обнаружимы. Их характерный среднеквадратический радиус определяется радиусом конфайнмента (или удержания кварков) и по порядку величины равен 10⁻¹⁵ м (1 фм). При этом он варьирует от адрона к адрону.

Среднеквадратический радиус распределения заряда связан с формфактором частиц (Фурье-образом их плотности заряда) следующей формулой:

${\displaystyle F(q^{2})=\int \limits _{V}\rho _{e}\,e^{iq\mathbf {r} }\,{\operatorname {d} }V}$,

где ${\displaystyle i}$ — мнимая единица.

При малых ${\displaystyle q^{2}}$ справедливо следующее разложение:

${\displaystyle F\left(q^{2}\right)=1-{\frac {1}{6}}\left\langle \mathbf {r} ^{2}\right\rangle q^{2}+\ldots }$

На сегодняшний день наиболее надёжно измерены среднеквадратические радиусы распределения электрического заряда протона, заряженных π- и К-мезонов. Измерение формфакторов протона в экспериментах по рассеянию на нём электронов и формфакторов π- и К-мезонов в экспериментах по рассеянию их на электронах вещества позволило определить соответствующие среднеквадратические радиусы:

• для протона:

${\displaystyle {\sqrt {\left\langle \mathbf {r} _{p}^{2}\right\rangle }}}$ = (0,8751 ± 0,0061)·10⁻¹⁵ м[4],

• для π^±-мезонов:

${\displaystyle {\sqrt {\left\langle \mathbf {r} _{\pi ^{\pm }}^{2}\right\rangle }}}$ = (0,663 ± 0,023)·10⁻¹⁵ м [5],

• для K^±-мезонов:

${\displaystyle {\sqrt {\left\langle \mathbf {r} _{K^{\pm }}^{2}\right\rangle }}}$ = (0,53 ± 0,05)·10⁻¹⁵ м [5].

Погрешности отражают уровень точности выполненных экспериментов.

• Классический радиус электрона
• Плотность заряда
• Центр масс
• Фундаментальная длина
• Планковская длина
• Планковский объём

• Главный редактор А. М. Прохоров. Физическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. (электронная версия)