stringtranslate.com

Адрон

Адрон – это сложная субатомная частица . Каждый адрон должен принадлежать к одному из двух фундаментальных классов частиц: бозонов и фермионов .

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]

Терминология и этимология

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]

Характеристики

Зеленая и пурпурная («антизеленая») стрелки, компенсирующие друг друга, представляют собой мезон; красная, зеленая и синяя стрелки, переходящие в белую, обозначают барион; желтая («антисиняя»), пурпурная и голубая («антикрасная») стрелки, переходящие в белую, обозначают антибарион.
Все типы адронов имеют нулевой общий цветовой заряд (показаны три примера).

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

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

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 .

Смотрите также

Сноски

  1. ^ Ожидается, что соответствующие античастицы протона и нейтрона будут следовать той же схеме, но их трудно поймать и изучить, поскольку они немедленно аннигилируют при контакте с обычной материей.

Рекомендации

  1. ^ abc 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. ^ Чой, С.-К.; и другие. ( Коллаборация Belle ) (2008). «Наблюдение резонансной структуры в
    π±
    Распределение масс Ψ′ в эксклюзивном B→K
    π±
    Ψ' распадается». Physical Review Letters . 100 (14): 142001. arXiv : 0708.1790 . Bibcode : 2008PhRvL.100n2001C. doi : 10.1103/PhysRevLett.100.142001. PMID  18518023. S2CID  119 138620.
  3. ^ Аайдж, Р.; и другие. ( Коллаборация LHCb ) (2014). «Наблюдение резонансного характера состояния Z(4430) − ». Письма о физических отзывах . 112 (22): 222002. arXiv : 1404.1903 . Бибкод : 2014PhRvL.112v2002A. doi :10.1103/PhysRevLett.112.222002. PMID  24949760. S2CID  904429.
  4. ^ аб Аайдж, Р.; и другие. ( Коллаборация LHCb ) (2015). «Наблюдение резонансов J/ψp, соответствующих состояниям пентакварка в Λ0
    б     → J/ψK - p распадается». Physical Review Letters . 115 (7): 072001. arXiv : 1507.03414 . Bibcode : 2015PhRvL.115g2001A. doi : 10.1103/PhysRevLett.115.072001. PMID  26317714. S2CID  119204136.
  5. ^ Зила, Пенсильвания (2020). «ЗНАЧИТЕЛЬНАЯ ЖИЗНЬ». PDG Live: Обзор физики элементарных частиц за 2020 год . Группа данных о частицах . Проверено 3 февраля 2022 г.
  6. ^ Мартин, БР (2017). Физика элементарных частиц (Четвертое изд.). Чичестер, Западный Суссекс, Великобритания. ISBN 9781118911907.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  7. ^ Аб Окунь, LB (1962). «Теория слабого взаимодействия». Материалы Международной конференции по физике высоких энергий 1962 года в ЦЕРН . Международная конференция по физике высоких энергий (пленарный доклад). ЦЕРН, Женева, CH. п. 845. Бибкод : 1962hep..conf..845O.
  8. ^ Амслер, К.; и другие. ( Группа данных о частицах ) (2008). «Модель кварка» (PDF) . Буквы по физике Б. Обзор физики элементарных частиц. 667 (1): 1–6. Бибкод : 2008PhLB..667....1A. doi :10.1016/j.physletb.2008.07.018. hdl : 1854/LU-685594 .
  9. ^ Бетке, С. (2007). «Экспериментальные проверки асимптотической свободы». Прогресс в области физики элементарных частиц и ядерной физики . 58 (2): 351–386. arXiv : hep-ex/0606035 . Бибкод :2007ПрПНП..58..351Б. дои : 10.1016/j.ppnp.2006.06.001. S2CID  14915298.
  10. ^ Манн, Адам (17 июня 2013 г.). «Таинственная субатомная частица может представлять собой новую экзотическую форму материи». Наука. Проводной . Проверено 27 августа 2021 г.— Новостной сюжет об открытии частицы Z (3900).

Внешние ссылки