СПИНОМ
называется величина, дающая количественную характери­стику вращательного движения частицы. Спин частицы (механический момент) у различных частиц может иметь различные значения, но все ча­стицы одного типа имеют абсолютно одинаковые спины. Попытаемся подробнее рассмотреть огромное семейство «элементарных» частиц (в настоящее время их известно более 200). Но прежде чем начать рассмотрение элементарных частиц, необходимо вспомнить типы взаимо­действий.
Как мы уже упоминали, в настоящее время известно четыре типа взаимо­действий: сильные, электромагнитные, слабые и гравитационные взаимо­действия.
Наиболее известными из них (и заметными в обыденной жизни) являют­ся электромагнитные и гравитационные взаимодействия, наблюдающие­ся в макроскопическом мире. Гравитационные взаимодействия существу­ют между всеми известными частицами, однако при этом они настолько слабы, что не поддаются экспериментальному обнаружению. В макроско­пическом мире гравитационные взаимодействия большого количества ча­стиц, составляющих массу тела, складываются и порождают силу гравита­ции, которая является основной силой во Вселенной. Электромагнитные взаимодействия происходят между всеми заряженными ча­стицами. Именно они ответст­венны за все химические реак­ции, а также за образование всех атомных и молекулярных структур. Сильные взаимодей­ствия удерживают вместе про­тоны и нейтроны внутри ядра. Они порождают ядерную си­лу — самую мощную из всех известных современной науке сил. Так, например, электроны удерживаются поблизости от атомного ядра при помощи электромагнитной силы, обла­дающей энергией примерно в десять электрон-вольт, в то время как ядерная сила, свя­зывающая нейтроны внутри ядра, использует энергию, равную энергии на субатомном уровне.

ПОНАЧАЛУ СЧИТАЛИ,
что сильное взаимодействие присуще толь­ко нуклонам (протонам и нейтронам), а переносчиком взаимодействия считали элементарные частицы — пионы. Последние бывают как заряжен­ные, так и нейтральные. Кроме того, считалось, что электроны не участву­ют в сильных взаимодействиях.

КАК ОКАЗАЛОСЬ,
 нуклоны — не единственные частицы, которые принимают участие в сильных взаимодействиях. К сильно взаимодействующим частицам относится подавляющее боль­шинство известных частиц. Из более чем 200 частиц только лишь несколь­ко не могут принять участия в сильных взаимодействиях (как и их антича­стицы). Это фотон и несколько лептонов. Не так давно был обнаружен лептон, получивший обозначение «тау» (греческая буква Т). Так же как электрон и мюон, он может существовать в двух зарядовых состояниях, а поскольку его масса превосходит массу электрона почти в 3500 раз, он получил название тяжелого лептона. Существование нейтрино, который принимал бы участие только во взаимодействиях с Т -лептоном, было обосновано только теоретически и остается до сих пор не доказанным экс­периментально.
Постепенно обнаруживались все новые элемен­тарные Частицы, и наконец появилась потребность хоть как-то их классифицировать. Частицы стали подразделять на адроны (тяжелые час­тицы) и лептоны (легкие частицы). Семейство лептонов включает элек­трон, мюон и их нейтрино. Эти частицы не участвуют в сильных взаимо­действиях — последние свойственны адронам, примерами которых служат протон и нейтрон.
Со временем семейство адронов пополнилось большим количеством но­вых членов. Как выяснилось, они сами состоят из других частиц — так на­зываемых кварков. До сих пор не удалось наблюдать отдельные кварки в свободном состоянии. Согласно современным теориям, кварки могут существовать только в комбинациях, образующих обычные частицы. Вза­имодействие кварков осуществляется посредством глюонов. Это взаимодействие и удерживает кварки в связанном состоя­нии внутри обычных частиц.
Масса протона примерно в 1836 раз больше массы электрона. Нейтрон немного массивнее, чем про­тон. Есть частицы с массами порядка массы прото­на и даже больше. Все они получили название бари-оны. Пионы примерно в 270 раз массивнее электрона, они принадлежат к семейству мезонов. Сперва предполагали, что и барионы, и мезоны со­стоят из кварков, причем протон и нейтрон состоят каждый из трех кварков, а мезоны — из двух. Одна­ко теперь считается, что для объяснения всех на­блюдаемых свойств элементарных частиц необходи­мо привлечь еще несколько кварков с другими характеристиками.
Необходимо отметить, что между мезонами и барионами существует довольно много различий. Важнейшее из них заключается в том, что все барионы имеют античастицы, в то время как мезоны могут сами выступать в роли своих античастиц.
Лептоны (как и адроны) принимают участие во взаимодействиях четвертого типа — в слабых взаимодействиях. Впервые это взаимодей­ствие было открыто при изучении распада нейтрона (процесс р-распада) на протон, электрон и антинейтрино. Эти взаимодействия очень слабы и действуют на таком коротком расстоянии, что не могут удер­живать частицы друг возле друга. Три остальные разновидности взаи­модействий порождают силы притяжения: сильные взаимодействия — внутри атомных ядер, электромагнитные взаимодействия — внутри атомов и молекул, а гравитационные взаимодействия — между плане­тами, звездами и целыми галактиками. Слабые взаимодействия прояв­ляются в единственной форме — в форме некоторых столкновений ча­стиц, а также их распада (сюда, например, относится и бета-распад, упоминавшийся выше).
Все взаимодействия между адронами проявляются в обмене другими адронами. Сильные взаимодействия действуют только на очень небольших расстояниях из-за того, что в соответствующих им обменных процессах участвуют тяжелые адроны. Сильные взаимодействия становятся заметны только при том условии, что расстояние между взаимодействующими час­тицами не превышает нескольких диаметров частицы. В противополож­ность сильным, электромагнитные взаимодействия, проявляющиеся в об­менах фотонами, не имеющими массы, могут происходить между сколь угодно далекими частицами, вследствие чего проявления электрических и магнитных сил заметны в мире больших измерений. Считается, что гра­витационные взаимодействия тоже осуществляются при помощи обмена особыми частицами — «гравитонами», однако слабость этих взаимодейст­вий настолько велика, что гравитоны до сих пор не были обнаружены уче­ными, хотя повода сомневаться в их существовании нет. В силу того что слабые взаимодействия становятся возможными только при том условии, что расстояние между частицами предельно невелико — гораздо меньше, чем при сильных взаимодействиях, считается, что эти взаимодействия осуществляются при помощи обмена очень тяжелыми частицами. По-видимому, эти частицы выполняют роль, аналогичную роли фотона при электромагнитных взаимодействиях, и единственное их отли­чие от последнего заключается в том, что они гораздо тяжелее. Во многих процессах столкновений, находящих применение в физике вы­соких энергий, часто имеют место и сильные электромагнитные, и слабые взаимодействия, в результате чего возникают длинные цепочки последо­вательных превращений частиц. Частицы, первоначально принимавшие участие в столкновении, аннигилируют, образуя несколько новых частиц, которые тоже проходят несколько стадий распада, прежде чем превра­титься в устойчивые частицы.
И наконец, два слова об уже упоминавшихся анти­частицах. В 1928 году английский физик Поль Дирак пришел к выво­ду, что наряду с электронами должны существовать частицы с такой же массой, но с противоположным по знаку зарядом. Позднее, в 1933 году, Фредерик и Ирен Жолио-Кюри обнаружили что Y-квант с энергией, боль­шей энергии покоя электрона и позитрона Е = 2тс2 «1,02 МэВ, при прохождении вблизи атомного ядра может превратиться в пару электрон-антиэлектрон. Эти частицы (антиэлектроны) назвали позитронами. Пози­троны — это античастицы по отношению к электронам. Электрон и пози­трон не могут долго существовать вместе: они аннигилируют с образованием фотонов. В 1955 году на новом ускорителе в Беркли Э. Сегре, О. Чемберлен и другие обнаружили антипротоны, рожденные в столк­новении протонов с ядрами медной мишени. До этого протон с отрица­тельным зарядом долго и безуспешно разыскивался в космических лучах. В 1956 году был открыт и антинейтрон. Сейчас известно уже множество частиц, и почти всем им соответствуют античастицы. Частицы и античастицы имеют одинаковую массу, время жизни, спин, но различаются знаками всех зарядов: электрического, барионного, лептонного и т.д. Это следует из общих принципов квантовой теории поля и под­тверждается надежными экспериментальными данными. Для фотона, не имеющего электрического заряда, античастицей будет сам фотон. Фотон может спонтанно распадаться на позитрон и электрон, а по­следние, в свою очередь, могут объединиться и образовать фотон при об­ратном процессе аннигиляции.
В сильных и электромагнитных взаимодействиях имеется полная симмет­рия между частицами и античастицами: если возможен какой-то процесс с частицами, то возможен и имеет те же характеристики аналогичный про­цесс с соответствующими античастицами. Подобно тому, как протоны
и нейтроны благодаря сильному взаимодейст­вию связываются в ядра, из соответствующих античастиц будут образовываться антиядра. При изучении античастиц исследователи об­наружили их полную временную симметрию. Говоря простым языком, это означает, что для каждого физического процесса существует точно такой же процесс, развертывающийся в обратном направлении во времени, в кото­ром принимают участие античастицы. Это от­крытие полностью разрушило представление о линейности времени (так называемая «стре­ла времени» — от прошлого к будущему через настоящее).