stringtranslate.com

Адрон

Адрон — это составная субатомная частица . Каждый адрон должен относиться к одному из двух основных классов частиц: бозонам и фермионам.

В физике элементарных частиц адрон ( / ˈ h æ d r ɒ n / ⓘ ; отдревнегреческого ἁδρός(hadrós) 'толстый, густой') —составная субатомная частица,состоящая из двух или болеекварков, удерживаемых вместесильнымвзаимодействием. Они аналогичнымолекулам, которые удерживаются вместеэлектрической силой. Большая часть массыобычноговеществапроисходитиз двух адронов:протонаинейтрона, в то время как большая часть массы протонов и нейтронов, в свою очередь, обусловлена​​энергией связисоставляющих их кварков из-за сильного взаимодействия.

Адроны подразделяются на два больших семейства: барионы , состоящие из нечетного числа кварков (обычно трех), и мезоны , состоящие из четного числа кварков (обычно двух: одного кварка и одного антикварка ). [1] Протоны и нейтроны (составляющие большую часть массы атома ) являются примерами барионов; пионы являются примером мезона. «Экзотические» адроны , содержащие более трех валентных кварков, были обнаружены в последние годы. Состояние тетракварка ( экзотический мезон ), названное Z(4430) − , было обнаружено 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 обнаружены в 2015 году коллаборацией LHCb . [4] Существует несколько более экзотических кандидатов в адроны и других комбинаций цвет-синглет кварков, которые также могут существовать.

Почти все «свободные» адроны и антиадроны (то есть изолированные и не связанные с атомным ядром ) считаются нестабильными и в конечном итоге распадаются на другие частицы. Единственное известное возможное исключение — свободные протоны, которые кажутся стабильными или, по крайней мере, распадаются за очень долгое время (порядка 10 34+  лет). Для сравнения, свободные нейтроны являются самой долгоживущей нестабильной частицей и распадаются с периодом полураспада около 611 секунд и имеют среднее время жизни 879 секунд, [a] [5] см. распад свободного нейтрона .

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 осколков в образующихся ливнях частиц . Похожий процесс происходит в естественной среде, в экстремально верхней атмосфере, где мюоны и мезоны, такие как пионы, производятся в результате столкновений космических лучей с разреженными газовыми частицами во внешней атмосфере. [6]

Терминология и этимология

Термин «адрон» — это новое греческое слово, введенное Л. Б. Окуном в пленарном докладе на Международной конференции по физике высоких энергий в ЦЕРНе в 1962 году . [7] Он начал свой доклад с определения нового термина категории:

Несмотря на то, что в докладе рассматриваются слабые взаимодействия, 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 неуклюжий термин, не поддающийся образованию прилагательного. По этой причине, если взять только один пример, распады на сильно взаимодействующие частицы называются «нелептонными » . Это определение неточно, поскольку «нелептонный» может также означать фотонный. В докладе я буду называть сильно взаимодействующие частицы «адроны», а соответствующие распады — «адронными» (греч. ἁδρός означает «большой», «массивный», в отличие от λεπτός , что означает «маленький», «легкий»). Надеюсь, что эта терминология окажется удобной. — Л. Б. Окунь (1962) [7]

Характеристики

Зелёная и пурпурная («антизелёная») стрелки, нейтрализующие друг друга и превращающие друг друга в белый цвет, представляют мезон; красная, зелёная и синяя стрелки, нейтрализующие друг друга и превращающие друг друга в белый цвет, представляют барион; желтая («антисиняя»), пурпурная и голубая («антикрасная») стрелки, нейтрализующие друг друга и превращающие друг друга в белый цвет, представляют антибарион.
Все типы адронов имеют нулевой суммарный цветовой заряд (показано три примера)

Согласно кварковой модели [8] , свойства адронов определяются в первую очередь их так называемыми валентными кварками . Например, протон состоит из двух верхних кварков (каждый с электрическим зарядом ++2 ⁄ 3 , в сумме + 4 ⁄ 3 вместе) и один нижний кварк (с электрическим зарядом −+1 ⁄ 3 ). Сложение этих чисел 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». Простейшие способы для этого — с кварком одного цвета и антикварком соответствующего антицвета или тремя кварками разных цветов. Адроны с первым расположением являются типом мезона , а со вторым расположением — типом 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 до того, как успевает связать себя в адрон). Сила глюонов сильного взаимодействия , которые связывают кварки вместе, имеет достаточную энергию ( E ) , чтобы иметь резонансы, состоящие из массивных ( m ) кварков ( E ≥ mc2 ). Одним из результатов является то, что короткоживущие пары виртуальных кварков и антикварков постоянно образуются и снова исчезают внутри адрона. Поскольку виртуальные кварки не являются стабильными волновыми пакетами (квантами), а нерегулярным и преходящим явлением, не имеет смысла спрашивать, какой кварк является реальным, а какой виртуальным; только небольшой избыток виден снаружи в форме адрона. Поэтому, когда утверждается, что адрон или антиадрон состоит (обычно) из 2 или 3 кварков, это технически 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 исходит из большого количества энергии, связанной с сильным взаимодействием . Адроны также могут нести квантовые числа аромата , такие как изоспин ( G-четность ) и странность . Все кварки несут аддитивное, сохраняющееся квантовое число, называемое барионным числом ( B ), которое равно ++1 ⁄ 3 для кварков и −+1 ⁄ 3 для антикварков. Это означает, что барионы (составные 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 . Каждый адрон в основном состоянии может иметь несколько возбужденных состояний; в экспериментах наблюдалось несколько сотен различных резонансов. Резонансы затухают чрезвычайно быстро (в течение примерно 10−24 секунд  ) посредством сильного ядерного взаимодействия.

В других фазах материи адроны могут исчезнуть. Например, при очень высокой температуре и высоком давлении, если только нет достаточно большого количества ароматов кварков, теория квантовой хромодинамики (КХД) предсказывает, что кварки и глюоны больше не будут ограничены адронами, «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 было доказано существование пентакварков с пятью кварками — тремя кварками разных цветов, а также одной дополнительной парой кварк-антикварк. Поскольку барионы имеют нечетное число кварков, 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 заменяются соответствующими им антикварками. Например, так же, как протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, его соответствующая 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 были обнаружены в 2015 году коллаборацией LHCb . [4]

Мезоны

Мезоны — это адроны, содержащие четное число валентных кварков (не менее 2). [1] Большинство известных мезонов состоят из пары кварк-антикварк, но возможные тетракварки (4 кварка) и гексакварки (6 кварков, включающие либо дибарион, либо три пары кварк-антикварк) могли быть обнаружены и исследуются для подтверждения их природы. [10] Могут существовать несколько других гипотетических типов экзотических мезонов , которые не попадают в кварковую модель классификации. К ним относятся глюболы и гибридные мезоны (мезоны, связанные возбужденными глюонами ).

Поскольку мезоны имеют четное число кварков, они также являются бозонами с целым спином , т . е . 0, +1 или −1. Они имеют барионное число B = ⁠ 1/3⁠ − ⁠1/3⁠ = 0. Примерамимезонов, обычно получаемых в экспериментах по физике элементарных частиц, являютсяпионыикаоны. Пионы также играют роль в удерживанииатомных ядервместе посредствомостаточного сильного взаимодействия.

Смотрите также

Сноски

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

Ссылки

  1. ^ abc Гелл-Манн, М. (1964). "Схематическая модель барионов и мезонов". Physics Letters . 8 (3): 214–215. Bibcode :1964PhL.....8..214G. doi :10.1016/S0031-9163(64)92001-3.
  2. ^ Чой, С.-К. и др. ( Belle Collaboration ) (2008). «Наблюдение резонансно-подобной 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  119138620.
  3. ^ Aaij, R.; et al. ( Сотрудничество LHCb ) (2014). "Наблюдение резонансного характера состояния Z(4430) " . Physical Review Letters . 112 (22): 222002. arXiv : 1404.1903 . Bibcode : 2014PhRvL.112v2002A. doi : 10.1103/PhysRevLett.112.222002. PMID  24949760. S2CID  904429.
  4. ^ аб Аайдж, Р.; и др. ( 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. ^ Zyla, PA (2020). "n MEAN LIFE". PDG Live: 2020 Review of Particle Physics . Particle Data Group . Получено 3 февраля 2022 г. .
  6. ^ Мартин, BR (2017). Физика элементарных частиц (Четвертое изд.). Чичестер, Западный Суссекс, Соединенное Королевство. ISBN 9781118911907.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  7. ^ ab Okun, LB (1962). "Теория слабого взаимодействия". Труды Международной конференции по физике высоких энергий в ЦЕРНе 1962 года . Международная конференция по физике высоких энергий (пленарный доклад). ЦЕРН, Женева, Швейцария. стр. 845. Bibcode :1962hep..conf..845O.
  8. ^ Амслер, К.; и др. ( Particle Data Group ) (2008). "Quark Model" (PDF) . Physics Letters B. Обзор физики частиц. 667 (1): 1–6. Bibcode : 2008PhLB..667....1A. doi : 10.1016/j.physletb.2008.07.018. hdl : 1854/LU-685594 .
  9. ^ Бетке, С. (2007). «Экспериментальные проверки асимптотической свободы». Progress in Particle and Nuclear Physics . 58 (2): 351–386. arXiv : hep-ex/0606035 . Bibcode :2007PrPNP..58..351B. doi :10.1016/j.ppnp.2006.06.001. S2CID  14915298.
  10. ^ Манн, Адам (2013-06-17). «Таинственная субатомная частица может представлять экзотическую новую форму материи». Science. Wired . Получено 2021-08-27 .— Новостной репортаж об открытии частицы Z (3900).

Внешние ссылки