В физике элементарных частиц аромат или вкус относится к виду элементарной частицы . Стандартная модель насчитывает шесть ароматов кварков и шесть ароматов лептонов . Они традиционно параметризуются с помощью квантовых чисел аромата , которые назначаются всем субатомным частицам . Они также могут быть описаны некоторыми из семейств симметрий, предложенных для поколений кварк-лептон.
В классической механике сила , действующая на точечную частицу, может изменять только динамическое состояние частицы , т. е. ее импульс , угловой момент и т. д. Однако квантовая теория поля допускает взаимодействия, которые могут изменять другие грани природы частицы, описываемые нединамическими, дискретными квантовыми числами. В частности, действие слабого взаимодействия таково , что оно допускает преобразование квантовых чисел, описывающих массу и электрический заряд как кварков, так и лептонов, из одного дискретного типа в другой. Это известно как изменение аромата или трансмутация аромата. Благодаря своему квантовому описанию состояния ароматов также могут подвергаться квантовой суперпозиции .
В атомной физике главное квантовое число электрона определяет электронную оболочку , в которой он находится, что определяет энергетический уровень всего атома. Аналогично, пять квантовых чисел аромата ( изоспин , странность , очарование , низменность или верхность ) могут характеризовать квантовое состояние кварков по степени, в которой оно проявляет шесть различных ароматов (u, d, c, s, t, b).
Составные частицы могут быть созданы из нескольких кварков, образуя адроны , такие как мезоны и барионы , каждый из которых обладает уникальными совокупными характеристиками, такими как различные массы, электрические заряды и моды распада. Общие квантовые числа аромата адрона зависят от числа составляющих кварков каждого конкретного аромата.
Все различные заряды, обсуждавшиеся выше, сохраняются благодаря тому, что соответствующие операторы зарядов можно понимать как генераторы симметрий , которые коммутируют с гамильтонианом. Таким образом, собственные значения различных операторов зарядов сохраняются.
Абсолютно сохраняющиеся квантовые числа в Стандартной модели :
В некоторых теориях, таких как теория великого объединения , сохранение отдельных барионных и лептонных чисел может быть нарушено, если сохраняется разность между ними ( B − L ) (см. Хиральная аномалия ).
Сильные взаимодействия сохраняют все ароматы, но все квантовые числа ароматов нарушаются (изменяются, не сохраняются) электрослабыми взаимодействиями .
Если есть две или более частиц, которые имеют идентичные взаимодействия, то их можно поменять местами, не влияя на физику. Все (комплексные) линейные комбинации этих двух частиц дают ту же физику, пока комбинации ортогональны или перпендикулярны друг другу.
Другими словами, теория обладает преобразованиями симметрии, такими как , где u и d — два поля (представляющие различные поколения лептонов и кварков, см. ниже), а M — любая унитарная матрица 2 × 2 с единичным определителем . Такие матрицы образуют группу Ли, называемую SU(2) (см. специальную унитарную группу ). Это пример симметрии ароматов.
В квантовой хромодинамике аромат является сохраняющейся глобальной симметрией . В электрослабой теории , с другой стороны, эта симметрия нарушена, и существуют процессы изменения аромата, такие как распад кварка или осцилляции нейтрино .
Все лептоны несут лептонное число L = 1. Кроме того, лептоны несут слабый изоспин , T 3 , который равен − 1/2 для трех заряженных лептонов (т.е. электрона , мюона и тау ) и + 1/2 для трех связанных нейтрино . Каждый дублет заряженного лептона и нейтрино, состоящего из противоположных T 3 , как говорят, составляет одно поколение лептонов. Кроме того, определяется квантовое число, называемое слабым гиперзарядом , Y W , которое равно −1 для всех левосторонних лептонов. [1] Слабый изоспин и слабый гиперзаряд калибруются в Стандартной модели .
Лептонам можно приписать шесть квантовых чисел аромата: электронное число, мюонное число, тау-число и соответствующие числа для нейтрино ( электронное нейтрино , мюонное нейтрино и тау-нейтрино ). Они сохраняются в сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушаются слабыми взаимодействиями. Поэтому такие квантовые числа аромата не очень полезны. Более полезно отдельное квантовое число для каждого поколения : электронное лептонное число (+1 для электронов и электронных нейтрино), мюонное лептонное число (+1 для мюонов и мюонных нейтрино) и тауонное лептонное число (+1 для тау-лептонов и тау-нейтрино). Однако даже эти числа не являются абсолютно сохраняющимися, поскольку нейтрино разных поколений могут смешиваться ; то есть нейтрино одного аромата может трансформироваться в другой аромат . Сила таких смешений определяется матрицей, называемой матрицей Понтекорво–Маки–Накагавы–Сакаты (матрица PMNS).
Все кварки имеют барионное число B = + +1/3 , и все антикварки имеют B = − +1/3 . Они также все несут слабый изоспин , T 3 = ± +1/2 . Положительно заряженные кварки (верхний, очарованный и верхний кварки) называются кварками верхнего типа и имеют T 3 = + +1/2 ; отрицательно заряженные кварки (нижние, странные и нижние кварки) называются кварками нижнего типа и имеют T 3 = −+1/2 . Каждый дублет кварков верхнего и нижнего типов составляет одно поколение кварков.
Для всех перечисленных ниже квантовых чисел аромата кварка принято, что заряд аромата и электрический заряд кварка имеют одинаковый знак . Таким образом, любой аромат, переносимый заряженным мезоном , имеет тот же знак, что и его заряд. Кварки имеют следующие квантовые числа аромата:
Эти пять квантовых чисел, вместе с барионным числом (которое не является квантовым числом аромата), полностью определяют числа всех 6 ароматов кварков по отдельности (как n q − n q̅ , т.е. антикварк считается со знаком минус). Они сохраняются как электромагнитным, так и сильным взаимодействием (но не слабым взаимодействием). Из них можно построить производные квантовые числа:
Термины «странный» и «странность» появились еще до открытия кварка, но продолжали использоваться и после его открытия ради преемственности (т. е. странность каждого типа адрона оставалась прежней); странность античастиц обозначалась как +1, а частиц как −1 согласно первоначальному определению. Странность была введена для объяснения скорости распада недавно открытых частиц, таких как каон, и использовалась в классификации адронов Восьмеричного Пути и в последующих моделях кварков . Эти квантовые числа сохраняются при сильных и электромагнитных взаимодействиях , но не при слабых взаимодействиях .
Для слабых распадов первого порядка, то есть процессов, включающих распад только одного кварка, эти квантовые числа (например, очарование) могут изменяться только на 1, то есть для распада, включающего очарованный кварк или антикварк либо как падающую частицу, либо как побочный продукт распада, Δ C = ±1 ; аналогично, для распада, включающего b-кварк или антикварк Δ B′ = ±1 . Поскольку процессы первого порядка встречаются чаще, чем процессы второго порядка (включающие распады двух кварков), это можно использовать как приблизительное « правило отбора » для слабых распадов.
Специальная смесь ароматов кварков является собственным состоянием части слабого взаимодействия гамильтониана , поэтому будет взаимодействовать особенно простым способом с W-бозонами (заряженные слабые взаимодействия нарушают аромат). С другой стороны, фермион фиксированной массы ( собственное состояние кинетической и сильной частей взаимодействия гамильтониана) является собственным состоянием аромата. Преобразование из прежнего базиса в базис аромат-собственное состояние/масса-собственное состояние для кварков лежит в основе матрицы Кабиббо–Кобаяши–Маскавы (матрица CKM). Эта матрица аналогична матрице PMNS для нейтрино и количественно определяет изменения аромата при заряженных слабых взаимодействиях кварков.
Матрица CKM допускает нарушение CP, если имеется не менее трех поколений.
Квантовые числа аромата являются аддитивными. Следовательно, античастицы имеют аромат, равный по величине частице, но противоположный по знаку. Адроны наследуют свое квантовое число аромата от своих валентных кварков : это основа классификации в кварковой модели . Соотношения между гиперзарядом, электрическим зарядом и другими квантовыми числами аромата справедливы как для адронов, так и для кварков.
Проблема ароматов (также известная как головоломка ароматов) заключается в неспособности современной физики ароматов Стандартной модели объяснить, почему свободные параметры частиц в Стандартной модели имеют те значения, которые они имеют, и почему существуют определенные значения для углов смешивания в матрицах PMNS и CKM . Эти свободные параметры — массы фермионов и их углы смешивания — по-видимому, специально настроены. Понимание причины такой настройки было бы решением головоломки ароматов. В эту головоломку вовлечены очень фундаментальные вопросы, такие как, например, почему существуют три поколения кварков (верхний-нижний, очарованный-странный и верхний-нижний кварки) и лептонов (электрон, мюон и тау-нейтрино), а также как и почему возникает иерархия масс и смешивания среди различных ароматов этих фермионов. [2] [3] [4]
Квантовая хромодинамика (КХД) содержит шесть ароматов кварков . Однако их массы различаются, и в результате они не являются строго взаимозаменяемыми друг с другом. Ароматы вверх и вниз близки к равным массам, и теория этих двух кварков обладает приблизительной симметрией SU(2) ( изоспиновой симметрией).
При некоторых обстоятельствах (например, когда массы кварков намного меньше масштаба нарушения киральной симметрии 250 МэВ) массы кварков не вносят существенного вклада в поведение системы, и в нулевом приближении массы самых легких кварков можно игнорировать для большинства целей, как если бы они имели нулевую массу. Упрощенное поведение преобразований ароматов затем можно успешно смоделировать как действующее независимо на левые и правые части каждого поля кварков. Это приблизительное описание симметрии ароматов описывается киральной группой SU L ( N f ) × SU R ( N f ) .
Если бы все кварки имели ненулевые, но равные массы, то эта хиральная симметрия была бы нарушена до векторной симметрии «диагональной группы ароматов» SU( N f ) , которая применяет то же самое преобразование к обеим спиральностям кварков. Это понижение симметрии является формой явного нарушения симметрии . Сила явного нарушения симметрии контролируется текущими массами кварков в КХД.
Даже если кварки не имеют массы, хиральная ароматическая симметрия может быть спонтанно нарушена , если вакуум теории содержит хиральный конденсат (как это происходит в низкоэнергетической КХД). Это приводит к появлению эффективной массы для кварков, часто отождествляемой с массой валентного кварка в КХД.
Анализ экспериментов показывает, что текущие массы кварков более легких ароматов кварков намного меньше масштаба КХД , Λ КХД , поэтому симметрия хирального аромата является хорошим приближением к КХД для верхних, нижних и странных кварков. Успех теории хиральных возмущений и еще более наивных хиральных моделей вытекает из этого факта. Массы валентных кварков, извлеченные из модели кварков , намного больше текущей массы кварков. Это указывает на то, что КХД имеет спонтанное нарушение хиральной симметрии с образованием хирального конденсата . Другие фазы КХД могут нарушать симметрию хирального аромата другими способами.
Изоспин, странность и гиперзаряд предшествуют кварковой модели. Первое из этих квантовых чисел, изоспин, было введено как концепция в 1932 году Вернером Гейзенбергом [5] для объяснения симметрии недавно открытого нейтрона (символ n):
Протоны и нейтроны были сгруппированы вместе как нуклоны и рассматривались как разные состояния одной и той же частицы, поскольку они оба имеют почти одинаковую массу и взаимодействуют почти одинаково, если пренебречь (гораздо более слабым) электромагнитным взаимодействием.
Гейзенберг отметил, что математическая формулировка этой симметрии в некоторых отношениях похожа на математическую формулировку нерелятивистского спина , откуда и произошло название «изоспин». Нейтрон и протон приписываются дублету ( спин- 1 ⁄ 2 , 2 , или фундаментальному представлению ) SU(2), причем протон и нейтрон затем ассоциируются с различными проекциями изоспина I 3 = ++1 ⁄ 2 и−+1 ⁄ 2 соответственно. Пионы приписываются к триплету (спин-1, 3 или присоединенное представление ) SU(2). Хотя есть отличие от теории спина: групповое действие не сохраняет аромат (на самом деле групповое действие — это именно обмен ароматом).
При построении физической теории ядерных сил можно было бы просто предположить, что она не зависит от изоспина, хотя полный изоспин должен сохраняться. Концепция изоспина оказалась полезной при классификации адронов , открытых в 1950-х и 1960-х годах (см. зоопарк частиц ), где частицам с похожей массой приписывается изоспиновый мультиплет SU(2) .
Открытие странных частиц, таких как каон, привело к новому квантовому числу, которое сохранялось сильным взаимодействием: странность (или эквивалентно гиперзаряд). Формула Гелл-Манна-Нисидзимы была открыта в 1953 году, которая связывает странность и гиперзаряд с изоспином и электрическим зарядом. [6]
Как только каоны и их свойство странности стали лучше поняты, стало ясно, что они тоже, по-видимому, являются частью расширенной симметрии, содержащей изоспин в качестве подгруппы. Более крупная симметрия была названа Мюрреем Гелл-Манном Восьмеричным Путем и была быстро признана соответствующей присоединенному представлению SU(3) . Чтобы лучше понять происхождение этой симметрии, Гелл-Ман предположил существование верхних, нижних и странных кварков , которые принадлежали бы к фундаментальному представлению симметрии аромата SU(3).
Чтобы объяснить наблюдаемое отсутствие нейтральных токов, изменяющих аромат , в 1970 году был предложен механизм GIM , который ввел очарованный кварк и предсказал J/psi-мезон . [7] J /psi-мезон действительно был обнаружен в 1974 году, что подтвердило существование очарованных кварков. Это открытие известно как Ноябрьская революция . Квантовое число аромата, связанное с очарованным кварком, стало известно как очарование .
Нижний и верхний кварки были предсказаны в 1973 году для объяснения нарушения CP-симметрии [8], что также подразумевало два новых квантовых числа аромата: нижний и верхний .
