stringtranslate.com

Барион

В физике элементарных частиц барион — это тип сложной субатомной частицы , которая содержит нечетное количество валентных кварков , обычно три. [1] Барионы принадлежат к семейству адронных частиц ; адроны состоят из кварков . Барионы также классифицируются как фермионы , потому что они имеют полуцелый спин .

Название «барион», введенное Абрахамом Паисом [2] , происходит от греческого слова «тяжелый» (βαρύς, barýs ), поскольку на момент своего наименования большинство известных элементарных частиц имели меньшие массы, чем барионы. Каждому бариону соответствует античастица (антибарион), где соответствующие антикварки заменяют кварки. Например, протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка ; и соответствующая ему античастица, антипротон , состоит из двух верхних антикварков и одного нижнего антикварка.

Барионы участвуют в остаточном сильном взаимодействии , которое передается частицами, известными как мезоны . Наиболее знакомыми барионами являются протоны и нейтроны , оба из которых содержат по три кварка, и по этой причине их иногда называют трикварками . Эти частицы составляют большую часть массы видимой материи во Вселенной и составляют ядро ​​каждого атома ( электроны , другой основной компонент атома, являются членами другого семейства частиц, называемых лептонами ; лептоны не взаимодействуют через сильная сила). Также были обнаружены и изучены экзотические барионы , содержащие пять кварков, называемые пентакварками .

Перепись барионов Вселенной показывает, что 10% из них могут быть обнаружены внутри галактик, от 50 до 60% - в окологалактической среде [3] , а остальные 30-40% могут находиться в тепло-горячей межгалактической среде (WHIM). . [4]

Фон

Барионы — это сильно взаимодействующие фермионы ; то есть на них действует сильное ядерное взаимодействие и они описываются статистикой Ферми – Дирака , которая применяется ко всем частицам, подчиняющимся принципу исключения Паули . В этом отличие от бозонов , которые не подчиняются принципу исключения.

Барионы, наряду с мезонами , представляют собой адроны , сложные частицы, состоящие из кварков . Кварки имеют барионное число B  = 1/3а антикварки имеют барионное число B  = −1/3. Термин «барион» обычно относится к трикваркам — барионам, состоящим из трех кварков ( B  = 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1).

Были предложены и другие экзотические барионы , такие как пентакварки — барионы, состоящие из четырех кварков и одного антикварка ( B  = 1/3 + 1/3 + 1/3 + 1/3 − 1/3 = 1), [5] [6] , но их существование не является общепринятым. Сообщество физиков элементарных частиц в целом не считало их существование вероятным в 2006 году [7], а в 2008 году считало, что доказательства в подавляющем большинстве противоречат существованию зарегистрированных пентакварков. [8] Однако в июле 2015 года эксперимент LHCb обнаружил два резонанса, согласующиеся с состояниями пентакварка в Λ0
б→ Дж/ψК−
p-распад с совокупной статистической значимостью 15σ. [9] [10]

Теоретически могли существовать также гептакварки (5 кварков, 2 антикварка), нонакварки (6 кварков, 3 антикварка) и т. д.

Барионная материя

Почти вся материя, с которой можно столкнуться или испытать ее в повседневной жизни, представляет собой барионную материю , которая включает в себя атомы любого типа и придает им свойство массы. Небарионная материя, как следует из названия, — это любая материя, не состоящая в основном из барионов. Сюда могут входить нейтрино и свободные электроны , темная материя , суперсимметричные частицы , аксионы и черные дыры .

Само существование барионов также является важной проблемой в космологии, поскольку предполагается, что Большой взрыв создал состояние с равным количеством барионов и антибарионов. Процесс, посредством которого барионы стали превосходить по численности свои античастицы , называется бариогенезом .

Бариогенез

Эксперименты согласуются с тем, что число кварков во Вселенной сохраняется наряду с общим числом барионов , а антибарионы считаются отрицательными величинами. [11] В рамках преобладающей Стандартной модели физики элементарных частиц число барионов может изменяться кратно трем из-за действия сфалеронов , хотя это случается редко и не наблюдалось в эксперименте. Некоторые теории великого объединения физики элементарных частиц также предсказывают, что одиночный протон может распасться , изменяя барионное число на единицу; однако в эксперименте этого еще не наблюдалось. Считается, что преобладание барионов над антибарионами в современной Вселенной связано с несохранением числа барионов в очень ранней Вселенной, хотя это еще не совсем понятно.

Характеристики

Изоспин и заряд

Комбинации трех u , d или s кварков, образующие барионы со спином3/2образовать декуплет барионов uds
Комбинации трех u , d или s кварков, образующие барионы со спином1/2сформировать барионный октет uds

Концепция изоспина была впервые предложена Вернером Гейзенбергом в 1932 году для объяснения сходства между протонами и нейтронами в условиях сильного взаимодействия . [12] Хотя у них были разные электрические заряды, их массы были настолько похожими, что физики считали, что это одна и та же частица. Различные электрические заряды объяснялись результатом какого-то неизвестного возбуждения, подобного спину. Это неизвестное возбуждение позже было названо Юджином Вигнером в 1937 году изоспином . [13]

Эта вера сохранялась до тех пор, пока Мюррей Гелл-Манн не предложил в 1964 году модель кварков (первоначально содержащую только u-, d- и s-кварки). [14] Сейчас считается, что успех модели изоспина является результатом схожих масс u- и d-кварков. Поскольку u- и d-кварки имеют одинаковые массы, частицы, состоящие из одного и того же числа, также имеют схожие массы. Точный конкретный состав u- и d-кварков определяет заряд, поскольку u-кварки несут заряд +2/3в то время как d-кварки несут заряд —1/3. Например, все четыре Дельты имеют разные заряды (
Δ++
(ууу),
Δ+
(ууд),
Δ0
(удд),
Δ−
(ddd)), но имеют схожие массы (~1232 МэВ/с 2 ), поскольку каждый из них состоит из комбинации трех u- или d-кварков. В рамках модели изоспина они считались одной частицей в разных заряженных состояниях.

Математика изоспина была смоделирована по образцу спина. Проекции изоспина варьировались с шагом 1, как и проекции спина, и каждой проекции было сопоставлено « заряженное состояние ». Поскольку « Дельта-частица » имела четыре «заряженных состояния», ее называли состоящей из изоспина I  = 3/2. Его «заряженные состояния»
Δ++
,
Δ+
,
Δ0
, и
Δ−
, соответствовало проекциям изоспина I 3  = +3/2, я 3  = +1/2, я 3  = −1/2, и я 3  = −3/2, соответственно. Другой пример — «нуклонная частица». Поскольку существовало два «заряженных состояния» нуклона, считалось, что оно имеет изоспин.1/2. Положительный нуклон
Н+
(протон) отождествлялся с I 3  = +1/2и нейтральный нуклон
Н0
(нейтрон) с I 3  = −1/2. [15] Позже было отмечено, что проекции изоспина были связаны с содержанием верхних и нижних кварков в частицах соотношением:

где n — количество верхних и нижних кварков и антикварков.

В «картине изоспина» четыре дельты и два нуклона считались разными состояниями двух частиц. Однако в модели кварков дельты — это разные состояния нуклонов (N ++ или N− запрещены принципом исключения Паули ). Изоспин, хотя и дает неточную картину происходящего, все еще используется для классификации барионов, что приводит к неестественной и часто запутанной номенклатуре.

Квантовые числа вкуса

Было замечено, что квантовое число странного аромата S (не путать со спином) увеличивается и уменьшается вместе с массой частицы. Чем больше масса, тем меньше странность (тем больше s-кварков). Частицы можно описать с помощью проекций изоспина (связанных с зарядом) и странности (массы) (см. цифры октета и декуплета uds справа). По мере открытия других кварков были созданы новые квантовые числа, которые имели аналогичное описание октетов и декуплетов udc и udb. Поскольку схожи только массы u и d, это описание массы и заряда частицы в терминах изоспина и ароматных квантовых чисел хорошо работает только для октета и декуплета, состоящего из одного u, одного d и еще одного кварка, и не работает для другие октеты и декуплеты (например, октет и декуплет ucb). Если бы все кварки имели одинаковую массу, их поведение можно было бы назвать симметричным , поскольку все они вели бы себя одинаково при сильном взаимодействии. Поскольку кварки имеют разную массу, они и взаимодействуют неодинаково (точно так же, как электрон, помещенный в электрическое поле, будет ускоряться больше, чем протон, помещенный в то же поле, из-за своей более легкой массы), и о симметрии говорят быть сломанным .

Было отмечено, что заряд ( Q ) связан с проекцией изоспина ( I 3 ), барионным числом ( B ) и ароматными квантовыми числами ( S , C , B ′, T ) формулой Гелла-Манна–Нисидзимы : [15 ]

где S , C , B ′ и T представляют собой квантовые числа странности , очарования , нижнего и верхнего вкуса соответственно. Они связаны с количеством странных, очаровательных, нижних, верхних кварков и антикварков соотношениями:

это означает, что формула Гелла-Манна-Нисидзимы эквивалентна выражению заряда через содержание кварков:

Спин, орбитальный угловой момент и полный угловой момент

Спин (квантовое число S ) — векторная величина, представляющая «собственный» угловой момент частицы. Это происходит с шагом1/2 ħ (произносится как «х-бар»). ħ часто опускается, потому что это «фундаментальная» единица вращения, и подразумевается, что «спин 1» означает «спин 1 ħ». В некоторых системах натуральных единиц ħ выбрано равным 1 и поэтому нигде не появляется.

Кварки – это фермионные частицы со спином1/2( С  = 1/2). Поскольку проекции спина изменяются с шагом 1 (то есть 1 ħ), одиночный кварк имеет вектор спина длины1/2, и имеет две проекции спина ( S z  = +1/2и S z  = −1/2). Два кварка могут иметь выровненные спины, и в этом случае два вектора спина складываются, образуя вектор длины S  = 1 и три проекции спина ( S z  = +1, S z  = 0 и S z  = -1). Если два кварка имеют невыровненные спины, векторы спинов складываются, образуя вектор длины S  = 0 и имеющий только одну проекцию спина ( S z  = 0) и т. д. Поскольку барионы состоят из трех кварков, их векторы спина могут складываться составить вектор длины S  = 3/2, который имеет четыре проекции спина ( S z  = +3/2, S z  = +1/2, S z  = −1/2, и S z  = −3/2), или вектор длины S  = 1/2с двумя проекциями спина ( S z  = +1/2, и S z  = −1/2). [16]

Существует еще одна величина углового момента, называемая орбитальным угловым моментом ( азимутальное квантовое число L ), которая имеет приращения 1 ħ и представляет собой угловой момент, обусловленный кварками, вращающимися вокруг друг друга. Таким образом , полный угловой момент ( квантовое число полного углового момента J ) частицы представляет собой комбинацию собственного углового момента (спина) и орбитального углового момента. Оно может принимать любое значение из J = | Л - С | к J = | Л + С | , с шагом 1.

Физики элементарных частиц больше всего интересуются барионами без орбитального углового момента ( L  = 0), поскольку они соответствуют основным состояниям — состояниям с минимальной энергией. Поэтому наиболее изученными двумя группами барионов являются S  = 1/2; L  = 0 и S  = 3/2; L  = 0, что соответствует J  = 1/2+ и J  = 3/2+ соответственно, хотя они не единственные. Также можно получить J  = 3/2+ частицы из S  = 1/2и L  = 2, а также S  = 3/2и L  = 2. Это явление наличия нескольких частиц в одной и той же конфигурации полного углового момента называется вырождением . Как отличить эти вырожденные барионы – это активная область исследований в барионной спектроскопии . [17] [18]

Паритет

Если бы Вселенная отражалась в зеркале, большинство законов физики были бы идентичны — все вело бы себя одинаково, независимо от того, что мы называем «левым», а что — «правым». Эта концепция зеркального отражения называется « внутренней четностью » или просто «четностью» ( П ). Гравитация , электромагнитная сила и сильное взаимодействие ведут себя одинаково независимо от того, отражается Вселенная в зеркале или нет, и поэтому говорят, что они сохраняют четность (P-симметрию). Однако слабое взаимодействие действительно отличает «левое» от «правого» - явление, называемое нарушением четности (P-нарушение).

Исходя из этого, если бы волновая функция каждой частицы (точнее, квантовое поле для каждого типа частиц) была одновременно перевернута зеркально, то новый набор волновых функций полностью удовлетворял бы законам физики (не считая слабого взаимодействия). . Оказывается, это не совсем так: для того, чтобы уравнения выполнялись, волновые функции некоторых типов частиц нужно не только зеркально перевернуть, но и умножить на −1. Говорят, что такие типы частиц имеют отрицательную или нечетную четность ( P  = -1 или, альтернативно, P  = -), в то время как говорят, что другие частицы имеют положительную или четную четность ( P  = +1 или, альтернативно, P  = +).

Для барионов четность связана с орбитальным угловым моментом соотношением: [19]

Как следствие, все барионы без орбитального углового момента ( L  = 0) имеют четность ( P  = +).

Номенклатура

Барионы классифицируются на группы в соответствии с их значениями изоспина ( I ) и содержанием кварков ( q ). Существует шесть групп барионов: нуклон (
Н
), Дельта (
Δ
), Лямбда (
Λ
), Сигма (
Σ
), Си (
Ξ
) и Омега (
Ом
). Правила классификации определяются Группой данных частиц . Эти правила учитывают ап (
ты
), вниз (
д
) и странно (
с
) кварки, чтобы быть светом и очарованием (
с
), нижний (
б
) и верх (
т
) кварки тяжелые . Правила охватывают все частицы, которые могут быть образованы из трех из каждого из шести кварков, даже несмотря на то, что барионы, состоящие из топ-кварков, не должны существовать из-за короткого времени жизни топ-кварка . Правила не распространяются на пентакварки. [20]

Также широко распространена (но не универсальна) практика следовать некоторым дополнительным правилам при различении некоторых штатов, которые в противном случае имели бы один и тот же символ. [15]

Кварки несут заряд, поэтому знание заряда частицы косвенно дает представление о составе кварка. Например, в приведенных выше правилах говорится, что
Λ+
ссодержит ac-кварк и некоторую комбинацию двух u- и/или d-кварков. c-кварк имеет заряд ( Q  = +2/3), поэтому два других должны быть кварками ( Q  = +2/3) и ад-кварк ( Q  = −1/3), чтобы иметь правильный общий заряд ( Q  = +1).

Смотрите также

Цитаты

  1. ^ Гелл-Манн, М. (1964). «Схематическая модель барионов и мезонов». Письма по физике . 8 (3): 214–215. Бибкод : 1964PhL.....8..214G. дои : 10.1016/S0031-9163(64)92001-3.
  2. ^ Накано, Тадао; Нисидзима, Кадзухико (ноябрь 1953 г.). «Независимость от заряда для V-частиц». Успехи теоретической физики . 10 (5): 581–582. Бибкод : 1953PThPh..10..581N. дои : 10.1143/PTP.10.581 . «Барион» — это собирательное название членов семейства нуклонов. Это имя связано с Паисом . См. исх. (6).
  3. ^ Дж. Майкл Шулл; и другие. (2012). «Перепись барионов в многофазной межгалактической среде: 30% барионов все еще могут отсутствовать». Том. 759, нет. 1. Астрофизический журнал. дои : 10.1088/0004-637X/759/1/23.
  4. ^ Ж.-П. Маккар; и другие. (2020). «Перепись барионов во Вселенной по локализованным быстрым радиовсплескам». Том. 581. Природа. стр. 391–395. дои : 10.1038/s41586-020-2300-2.
  5. ^ Х. Мьюир (2003)
  6. ^ К. Картер (2003)
  7. ^ В.-М. Яо и др. (2006): Списки частиц - Θ+
  8. ^ К. Амслер и др. (2008): Пентакварки
  9. ^ LHCb (14 июля 2015 г.). «Наблюдение частиц, состоящих из пяти кварков, состояний пентакварк-чармоний, наблюдаемых в распадах Λ0b → J/ψpK−». ЦЕРН . Проверено 14 июля 2015 г.
  10. ^ Р. Аай и др. ( Коллаборация LHCb ) (2015). «Наблюдение резонансов J/ψp, соответствующих состояниям пентакварка в Λ0
    б→Дж/ψK    − p распадается». Physical Review Letters . 115 (7): 072001. arXiv : 1507.03414 . Бибкод : 2015PhRvL.115g2001A. doi : 10.1103/PhysRevLett.115.072001. PMID  26317714. S2CID  11920 4136.
  11. ^ «11.3: Законы сохранения частиц» . Либретексты . 1 ноября 2016 г. Архивировано из оригинала 10 августа 2022 г. Проверено 26 декабря 2023 г.
  12. ^ В. Гейзенберг (1932)
  13. ^ Э. Вигнер (1937)
  14. ^ М. Гелл-Манн (1964)
  15. ^ abc SSM Вонг (1998a)
  16. ^ Р. Шанкар (1994)
  17. ^ Х. Гарсиласо и др. (2007)
  18. ^ DM Мэнли (2005)
  19. ^ ССМ Вонг (1998b)
  20. ^ К. Амслер и др. (2008): Схема именования адронов.

Общие ссылки

Внешние ссылки