Откуда берутся такие частицы, как фотоны, мезоны и т.д.

Расположены ли они где-то в ядре? В учебниках описывается, что атом состоит из электрона, протона и нейтрона, а они, в свою очередь, состоят из кварков. Но как насчет, например, пи- или сигма-мезона? Как создаются частицы после распада, образуются ли они из энергии, созданной во время этого процесса? А где находятся античастицы?

ОТВЕТ

Да, новые частицы могут быть созданы из энергии. Рассмотрим, например, атом водорода, состоящий из ядра (протона) и электрона, вращающегося вокруг него. Предположим, что атом находится в возбужденном состоянии, т.е. электрон не следует по орбите, соответствующей наименьшей энергии. Через некоторое время атом перейдет в основное (самое низкоэнергетическое) состояние и при этом испустит фотон с энергией, равной разности между энергиями возбужденного и основного состояний. В этом процессе создается фотон, он состоит из энергии, он изначально не был компонентом рассматриваемой системы.

При столкновениях протонов на большом адронном коллайдере выделяющаяся энергия (деленная на c2) превышает массу покоя протонов во много тысяч раз. Из этой энергии, помимо прочего, создается множество кварков и антикварков, которых раньше не было в столкнувшихся протонах. Число вновь созданных кварков должно быть равно числу созданных антикварков из-за симметрий взаимодействий, из которых вытекает как принцип сохранения заряда, так и так называемый принцип сохранения барионного числа. 

Кварки и антикварки не могут существовать как свободные частицы - в конечном итоге они соединяются либо в мезоны (связанные состояния кварка и антикварка), либо в барионы (связанные состояния трех кварков, таких как протон, нейтрон или Σ), либо в антибарионы (связанные состояния трех антикварков).

Другой пример: распад μ- (мюонного) лептона на электрон, электронное антинейтрино и мюонное нейтрино. Ни одна из этих трех частиц не является компонентом мюона. Они создаются за счет энергии, полученной при аннигиляции мюона. Однако та же энергия, полученная в результате другого процесса (например, столкновения электрона и фотона), не позволит их произвести. Для создания некоторых частиц должны выполняться другие условия, такие как принцип сохранения заряда и принцип сохранения лептонных чисел (вытекающий из симметрии взаимодействий).