В настоящее время в физике насчитывается около 350 элементарных частиц. Они настолько разнообразны по своим параметрам и характеристикам, что это многообразие называют зоопарком частиц.
В чём причина такого разнообразия – в расточительности Природы или в ограниченности наших взглядов на природу частиц?
Разбираться с этим зоопарком начнем с лептонов.
В настоящее время к лептонам относятся электроны, мюоны (мю-мезоны) и таоны (тау-лептоны) со своими античастицами и соответствующими нейтрино. Их разделяют соответственно на три поколения частиц.
Электроны, мюоны и таоны отличаются друг от друга только массой и временем жизни (электрон стабилен, время жизни мюона 2,2⋅10⁻⁶ секунд, таона – 2,9⋅10⁻¹³ секунд). Все прочие характеристики этих частиц абсолютно идентичны. Поэтому мюоны иногда называют тяжелыми электронами. При этом мюоны относятся ко второму поколению лептонов, а таоны относятся к третьему поколению.
Всё это так. Но являются ли лептоны разными частицами? Или они все есть разновидность одной стабильной частицы – электрона?
Когда в физике рассматриваются атомы, то приводятся понятия основного и возбужденного состояния атома. Эти состояния связаны с энергетическими уровнями квантовой системы.
Основное состояние квантовой системы – стационарное состояние, энергия системы в котором минимальна.
Возбуждение в физике – переход частицы (квантовой системы) из основного энергетического состояния в состояние с большей энергией.
Возбуждённое состояние атома – энергетически нестабильное, неустойчивое состояние атома, образуемое из основного состояния при переходе одного или нескольких электронов на более высокие энергетические уровни. Этот переход сопровождается поглощением энергии. Обратный процесс – переход из возбужденного состояния в основное состояние, сопровождается излучением энергии.
Атом водорода может находиться в возбужденном состоянии, но при этом считается, что он всё равно остаётся атомом водорода. Просто он находится в одном из возможных состояний.
Зачем же для электрона выдумывать новые названия для каждого из его возможных состояний?
Вполне допустим подход, при котором система лептонов рассматривается как система нескольких энергетических уровней основного состояния в виде электрона.
Мюон и таон логично рассматривать как возбужденные состояния электрона. При этом вполне естественно, что состояния электрона с большей энергией имеют меньшее время жизни и электрон возвращается из них в основное состояние за счет слабого распада.
Такой подход позволяет рассматривать слабый распад как снятие возбуждения и переход частицы в состояние с меньшей энергией. Это позволяет придать слабому взаимодействию простой физический смысл и понять природу этого вида взаимодействий, электронов и нейтрино.
Таким образом, лептоны не являются различными частицами. В природе существует только электрон (со своей античастицей – позитроном).
Электрон – это базовая фундаментальная заряженная частица в основном стабильном состоянии. Мюоны и таоны являются возбуждёнными состояниями электрона.
Это специфический вид возбуждения, который можно назвать слабым возбуждением, в отличие от электромагнитного возбуждения электронов в атомах.
Электромагнитное возбуждение электронов в атомах снимается за счет излучения фотонов, а слабое возбуждение лептонов снимается за счет излучения нейтрино.
Из предложенного подхода следует ещё один важный вывод:
Поскольку электрон рассматривается как квантовая система с определенными энергетическими уровнями, то это явно указывает на то, что электрон имеет внутреннюю структуру и не может быть точечной частицей.