Кварки, лептоны, калибровочные бозоны

    Фундаментальные частицы можно разбить на два типа - на частицы вещества - фундаментальные фермионы и калибровочные бозоны, переносящие взаимодействия между частицами вещества.
    Фундаментальными фермионами - частицами вещества являются кварки и лептоны. Кварки и лептоны являются фермионами и имеют собственный спин J = 1/2.
    Известно 6 типов (ароматов) кварков, объединённых в три семейства (поколения).

1 поколение	2 поколение	3 поколение

    Кварки верхнего ряда (u,c,t) имеют электрический заряд Q = +2/3e , нижнего ряда (d,s,b) имеют электрический заряд  Q = -1/3e , где е-абсолютная величина заряда электрона.
Кварк каждого типа имеет три цветовых состояния. В таблице 1  приведены массы кварков. Кварки связаны внутри адронов и в свободном состоянии не наблюдаются. Масса токового кварка - это масса, которой обладал бы кварк, если бы кварки не были связаны друг с другом посредством глюонов. Масса токового кварка складываясь с энергией взаимодействия кварка в адроне дает массу кварка в составе адрона. Поэтому массы кварков, приведенные в таблице 1 не измерены непосредственно, а получены в результате теоретического анализа экспериментальных данных.

Таблица 1.   Массы кварков.

Тип кварка.	Масса токового кварка. Мэв/с2	Масса  кварка в составе адрона. Мэв/с2
u d s c b t	1 - 5 3 - 9 200 1300 4000-4400 178000	330 330 500 1500 5000 178000

    Лептоны не имеют цветовых состояний, они не участвуют в сильных взаимодействиях.
Лептонов тоже 6 типов. Они также объединены в 3 семейства (поколения).

1 поколение	2 поколение	3 поколение

Электрон е, мюон и тау-лептон имеют одинаковые электрические заряды Q = - e. Каждый лептон верхней строки имеет своё нейтрино - электронное нейтрино _e, мюонное нейтрино и тау-нейтрино . В процессах взаимодействия с веществом нейтрино обычно появляется в паре с соответствующим лептоном верхней строки. Электрический заряд нейтрино равен 0. Каждое поколение имеет своё лептонное число. Лептонные числа строго сохраняются, хотя почему это происходит сегодня не ясно.
Массы нейтрино в рамках стандартной модели считаются равными 0. Сегодня измерены лишь верхние пределы масс нейтрино. Массы лептонов приведены в таблице 2. Так же как и в случае кварков массы лептонов теоретически не объяснены. В отличие от кварков лептоны наблюдаются в свободном состоянии как отдельные частицы, участвующие в различных реакциях.

Таблица 2.   Массы лептонов.

Тип лептона.	Масса лептона Мэв/с2
е e	0.51 105.6 1777 15*10-6 < 0.17 < 24

Кроме кварков и лептонов существуют частицы, которые передают взаимодействие между фундаментальными фермионами (кварками и лептонами). Это частицы с целым спином - калибровочные бозоны.
В таблице 3 приведены взаимодействия, частицы участвующие в различных взаимодействиях, калибровочные бозоны - переносчики взаимодействия, радиус действия, константа взаимодействия, характерное время жизни по отношению к распадам.

Таблица 3. Фундаментальные взаимодействия

Взаимо- действие	На какие частицы действует	Калибровоч- ные бозоны	Радиус действия	Константа взаимо- действия	Характерное время жизни, с	Характерное сечение, мб
Сильное	Все цветные частицы	8 глюонов, спин J = 1, безмассовые.	1Фм = 1/	1	10-23  N	10 p p
Электро- магнитное	Все электрически заряженные частицы	Фотон, спин J = 1, безмассовый.		(1/137)1/2	10-20 -10-16  0 2 0	10-3 p p0
Слабое	Кварки, лептоны, электрослабые калибровочные бозоны	W+,W-, Z, спин J = 1, m() = 80Гэв, m(Z) =91Гэв.	10-2Фм = 1/mW	10-6	>10-12  -n- --	10-14 pp p-p+
Гравитаци- онное	Все массивные частицы	Гравитон, спин J = 2, безмассовый		10-38	-	-

Сильное взаимодействие. Константа сильного взаимодействия, характеризующая интенсивность этого взаимодействия определяется взаимодействием кварков и переносчиков сильного взаимодействия - глюонов. Частицы, участвующие в сильном взаимодействии называются адронами. Характерный радиус действия сил, обусловленных сильным взаимодействием ~10^-13 см. Частицы, распадающиеся в результате сильного взаимодействия имеют характерное время жизни ~10^-20-10^-23 c, что соответствует характерным ширинам резонансов Г > 10 МэВ.
Электромагнитное взаимодействие. Константа электромагнитного взаимодействия 
()^1/2 = (e²/c)^1/2 = (1/137)^1/2 ( - постоянная тонкой структуры). Переносчик электромагнитного взаимодейстия - фотон. То обстоятельство, что масса фотона равна нулю определяет бесконечный радиус электромагнитного взаимодействия. Константа электромагнитного взаимодействия определяет вероятность испускания или поглощения фотона частицей с зарядом +е. Характерное время распада частиц в результате электромагнитного взаимодействия > 10^-18 c. Например, время жизни ⁰-мезона, распадающегося в результате электромагнитного взаимодействия,  ~0.8*10^-16 c.
Слабое взаимодействие. Константа слабого взаимодействия ~10^-6. Переносчиками слабого взаимодействия являются промежуточные бозоны - и Z-бозоны - массивные частицы (m() = 80 Гэв, m(Z) =91 Гэв.). Большая масса прмежуточных бозонов обуславливает характерную величину радиуса слабого взаимодействия ~10^-16 cм. Частицы, распадающиеся в результате слабого взаимодействия имеют времена жизни >10^-12 c. Например заряженные -мезоны, распадающегося в результате слабого взаимодействия,  имеют время жизни 2.6*10^-8 c. Нейтрон - 898 с. Некоторые ядра, распадающиеся в результате слабого взаимодействия,  имеют время жизни многие годы. Единственные частицы, которые участвуют только в слабых и гравитационных) взаимодействиях - нейтрино.
Гравитационное взаимодействие. Сила гравитационного взаимодейстия определяется соотношением

F = Gm₁m₂/r²,

где G = 6/67*10^-11 м³кг^-1с^-2 - гравитационная постоянная. Радиус действия гравитационного взаимодействия бесконечен. В гравитационном взаимодействии участвуют все частицы. Сравнение гравитационного и электромагнитного взаимодействия двух протонов, находящихся на расстоянии друг от друга ~10^-13 см приводит к соотношению

F_грав/F_{эл.магн} ~10^-36.