В физике элементарных частиц адронный ( / ˈ h æ d r ɒ n / ⓘ ;Древнегреческий:ἁδρός,латинизированный: Hadrós; «толстый, толстый») —сложная субатомная частица, состоящая из двух или болеекварков, удерживаемых вместесильнымвзаимодействием. Они аналогичнымолекулам, которые удерживаются вместеэлектрической силой. Большая часть массы обычного вещества происходит от двух адронов:протонаинейтрона, тогда как большая часть массыпротонов и нейтронов, в свою очередь, обусловлена энергией связи составляющих их кварков из-за сильного взаимодействия.
Адроны делятся на два больших семейства: барионы , состоящие из нечетного числа кварков (обычно трех кварков), и мезоны , состоящие из четного числа кварков (обычно двух кварков: одного кварка и одного антикварка ). [1] Протоны и нейтроны (которые составляют большую часть массы атома ) являются примерами барионов; пионы являются примером мезона. В последние годы были открыты «экзотические» адроны , содержащие более трёх валентных кварков. Состояние тетракварка ( экзотический мезон ), названное Z(4430) − , было открыто в 2007 году коллаборацией Belle [2] и подтверждено как резонанс в 2014 году коллаборацией LHCb . [3] Два состояния пентакварка ( экзотические барионы ), названные P+
с(4380) и П+
с(4450) , были открыты в 2015 году коллаборацией LHCb . [4] Есть еще несколько экзотических кандидатов в адроны и другие комбинации цветных синглетных кварков, которые также могут существовать.
Считается , что почти все «свободные» адроны и антиадроны (то есть изолированные и не связанные внутри атомного ядра ) нестабильны и в конечном итоге распадаются на другие частицы. Единственным известным возможным исключением являются свободные протоны, которые кажутся стабильными или, по крайней мере, для распада требуется огромное количество времени (порядка 10 34+ лет). Для сравнения: свободные нейтроны являются самыми долгоживущими нестабильными частицами и распадаются с периодом полураспада около 879 секунд. [а] [5]
Физика адронов изучается путем столкновения адронов, например протонов, друг с другом или с ядрами плотных тяжелых элементов , таких как свинец (Pb) или золото (Au), и обнаружения остатков в образующихся потоках частиц . Похожий процесс происходит в естественной среде, в верхних слоях атмосферы, где мюоны и мезоны, такие как пионы , рождаются в результате столкновений космических лучей с частицами разреженного газа во внешней атмосфере. [6]
Термин «адрон» — новое греческое слово, введенное Л.Б. Окуном и в пленарном докладе на Международной конференции по физике высоких энергий в ЦЕРНе в 1962 году . [7] Свою речь он начал с определения термина новой категории:
Несмотря на то, что в настоящем докладе речь идет о слабых взаимодействиях, нам часто придется говорить о сильно взаимодействующих частицах. Эти частицы создают не только многочисленные научные проблемы, но и терминологическую проблему. Дело в том, что « сильно взаимодействующие частицы » — очень корявый термин, не поддающийся образованию прилагательного. По этой причине, например, распады на сильно взаимодействующие частицы называются «нелептонными » . Это определение неточно, поскольку «нелептонный» может также означать фотонный. В этом докладе я буду называть сильно взаимодействующие частицы «адронами», а соответствующие распады — «адронными» (греческое ἁδρός означает «большой», «массивный», в отличие от λεπτός , которое означает «маленький», «легкий»). Надеюсь, что эта терминология окажется удобной. — Л. Б. Окунь (1962) [7]
Согласно кварковой модели [8] свойства адронов определяются в первую очередь их так называемыми валентными кварками . Например, протон состоит из двух ап-кварков (каждый с электрическим зарядом ++2 ⁄ 3 , всего + 4 ⁄ 3 вместе) и один нижний кварк (с электрическим зарядом —+1 ⁄ 3 ). Их сложение дает заряд протона +1. Хотя кварки также несут цветовой заряд , адроны должны иметь нулевой общий цветовой заряд из-за явления, называемого ограничением цвета . То есть адроны должны быть «бесцветными» или «белыми». Самый простой способ добиться этого — использовать кварк одного цвета и антикварк соответствующего антицвета или три кварка разных цветов. Адроны с первым расположением относятся к типу мезона , а адроны со вторым расположением — к типу бариона .
Безмассовые виртуальные глюоны составляют подавляющее большинство частиц внутри адронов, а также основные составляющие его массы (за исключением тяжелого очарования и нижних кварков ; верхний кварк исчезает, не успев соединиться с адроном). Сила глюонов сильного взаимодействия , которые связывают кварки вместе, имеет достаточную энергию ( E ), чтобы иметь резонансы, состоящие из массивных ( m ) кварков ( E ≥ mc 2 ). Одним из результатов является то, что короткоживущие пары виртуальных кварков и антикварков постоянно формируются и снова исчезают внутри адрона. Поскольку виртуальные кварки — это не стабильные волновые пакеты (кванты), а нерегулярное и преходящее явление, нет смысла спрашивать, какой кварк реальный, а какой виртуальный; только небольшой избыток виден снаружи в виде адрона. Следовательно, когда утверждается, что адронный или антиадрон состоит (обычно) из 2 или 3 кварков, технически это относится к постоянному избытку кварков по сравнению с антикварками.
Как и всем субатомным частицам , адронам присвоены квантовые числа , соответствующие представлениям группы Пуанкаре : J PC ( m ) , где J — спиновое квантовое число, P — внутренняя четность (или P-четность ), C — зарядовое сопряжение (или C-четность ), а m — масса частицы . Обратите внимание, что масса адрона имеет очень мало общего с массой его валентных кварков; скорее, из-за эквивалентности массы и энергии , большая часть массы возникает из-за большого количества энергии, связанной с сильным взаимодействием . Адроны также могут нести ароматические квантовые числа , такие как изоспин ( G-четность ) и странность . Все кварки имеют аддитивное сохраняющееся квантовое число, называемое барионным числом ( B ), которое равно ++1 ⁄ 3 для кварков и —+1 ⁄ 3 для антикварков. Это означает, что барионы (сложные частицы, состоящие из трех, пяти или большего нечетного числа кварков) имеют B = 1, тогда как мезоны имеют B = 0.
Адроны имеют возбужденные состояния, известные как резонансы . У каждого адрона основного состояния может быть несколько возбужденных состояний; В экспериментах наблюдалось несколько сотен резонансов. Резонансы затухают чрезвычайно быстро (примерно в течение 10–24 секунд ) из-за сильного ядерного взаимодействия.
В других фазах вещества адроны могут исчезнуть. Например, теория квантовой хромодинамики (КХД) предсказывает, что при очень высокой температуре и высоком давлении, если не существует достаточного количества разновидностей кварков, кварки и глюоны больше не будут заключены в адроны, «потому что сила сильного взаимодействия уменьшается ». с энергией ». Это свойство, известное как асимптотическая свобода , было экспериментально подтверждено в диапазоне энергий от 1 ГэВ (гигаэлектронвольт) до 1 ТэВ (тераэлектронвольт). [9] Все свободные адроны, за исключением ( возможно ) протона и антипротона , нестабильны .
Барионы – это адроны, содержащие нечетное число валентных кварков (не менее 3). [1] Большинство известных барионов, таких как протон и нейтрон , имеют три валентных кварка, но также доказано существование пентакварков с пятью кварками – тремя кварками разных цветов, а также одной дополнительной парой кварк-антикварк. Поскольку барионы имеют нечетное число кварков, все они также являются фермионами , т. е . имеют полуцелый спин . Поскольку кварки обладают барионным числом B = 1 ⁄ 3 , барионы имеют барионное число B = 1. Пентакварки также имеют B = 1, поскольку барионные числа дополнительных кварков и антикварков сокращаются.
Каждому типу барионов соответствует античастица (антибарион), в которой кварки заменены соответствующими антикварками. Например, так же, как протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, соответствующая ему античастица, антипротон, состоит из двух верхних антикварков и одного нижнего антикварка.
По состоянию на август 2015 года известно два пентакварка: P+
с(4380) и П+
с(4450) , оба открыты в 2015 году коллаборацией LHCb . [4]
Мезоны — это адроны, содержащие четное число валентных кварков (не менее двух). [1] Большинство известных мезонов состоят из пары кварк-антикварк, но, возможно, были обнаружены тетракварки (4 кварка) и гексакварки (6 кварков, состоящих либо из дибариона, либо из трех пар кварк-антикварк), и они исследуются для подтверждения их природа. [10] Могут существовать несколько других гипотетических типов экзотических мезонов , которые не подпадают под классификационную модель кварков. К ним относятся глюболы и гибридные мезоны (мезоны, связанные возбужденными глюонами ).
Поскольку мезоны имеют четное число кварков, все они также являются бозонами с целым спином , т. е . 0, +1 или −1. Они имеют барионное число B = 1/3−1/3= 0 . Примеры мезонов, обычно образующихся в экспериментах по физике элементарных частиц, включают пионы и каоны . Пионы также играют роль в удержании атомных ядер вместе посредством остаточного сильного взаимодействия .
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )