stringtranslate.com

Барион

В физике элементарных частиц барион — это тип составной субатомной частицы , которая содержит нечетное число валентных кварков , обычно три. [1] Протоны и нейтроны являются примерами барионов; поскольку барионы состоят из кварков , они принадлежат к семейству частиц адронов . Барионы также классифицируются как фермионы, поскольку они имеют полуцелый спин .

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

Барионы участвуют в остаточной сильной силе , которая передается частицами, известными как мезоны . Наиболее известными барионами являются протоны и нейтроны , оба из которых содержат 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 посредством сильной силы). Экзотические барионы, содержащие пять кварков, называемые пентакварками , также были обнаружены и изучены.

Перепись барионов во Вселенной показывает, что 10% из них могут быть обнаружены внутри галактик, 50–60% — в окологалактической среде [3] , а оставшиеся 30–40% могут быть расположены в теплой-горячей межгалактической среде (WHIM). [4]

Фон

Барионы являются сильно взаимодействующими фермионами ; то есть, на них действует сильная ядерная сила , и они описываются статистикой Ферми–Дирака , которая применяется ко всем частицам, подчиняющимся принципу исключения Паули . Это контрастирует с бозонами , которые не подчиняются принципу исключения.

Барионы, наряду с мезонами , являются адронами , составными частицами , состоящими из кварков . Кварки имеют барионные числа B  =  ⁠1/3⁠ и антикварки имеют барионные числа 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 посчитало, что доказательства в подавляющем большинстве против существования сообщенных пентакварков. [8] Однако в июле 2015 года эксперимент LHCb обнаружил два резонанса, соответствующих состояниям пентакварка в Λ0
б→ Дж/ψК−
p-распад с общей статистической значимостью 15σ. [9] [10]

Теоретически могут 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 которую можно испытать в повседневной жизни, — это барионная материя , которая включает атомы любого вида и наделяет их свойством массы. Небарионная материя, как следует из названия, — это любая материя, которая не состоит 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, в результате которого барионы стали превосходить по численности своих античастиц, называется бариогенезисом .

Бариогенезис

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 экспериментально. Некоторые теории великого объединения физики элементарных частиц также предсказывают, что один протон может распасться , изменив число барионов на единицу; однако это еще не наблюдалось экспериментально. Считается, что избыток барионов над антибарионами в нынешней Вселенной обусловлен несохранением числа барионов в очень ранней Вселенной, хотя это не совсем понятно.

Характеристики

Изоспин и заряд

Комбинации трех u , d или s кварков, образующие барионы со спином- ⁠3/2⁠ образуют декуплет бариона uds
Комбинации трех u , d или s кварков, образующие барионы со спином- ⁠1/2⁠ образуют октет бариона uds

Концепция изоспина была впервые предложена Вернером Гейзенбергом в 1932 году для объяснения сходства между протонами и нейтронами при сильном взаимодействии . [12] Хотя у них были разные электрические заряды, их массы были настолько похожи, что физики считали, что они являются одной и той же частицей. Различные электрические заряды были объяснены как результат некоторого неизвестного возбуждения, похожего на спин. Это неизвестное возбуждение было позже названо изоспином Юджином Вигнером в 1937 году. [13]

Эта вера просуществовала до тех пор, пока Мюррей Гелл-Манн не предложил модель кварков в 1964 году (первоначально содержащую только u, d и s кварки). [14] Успех модели изоспина теперь понимается как результат схожих масс u и d кварков. Поскольку u и d кварки имеют схожие массы, частицы, состоящие из одинакового числа, также имеют схожие массы. Точный конкретный состав u и d кварков определяет заряд, поскольку u кварки несут заряд + ⁠2/3⁠ в 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/c 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 изменялись с шагом 1, как и проекции спина, и с каждой проекцией ассоциировалось « заряженное состояние ». Поскольку « дельта-частица » имела четыре «заряженных состояния», говорили, что она имеет изоспин I  =  ⁠3/2⁠ . Его «заряженные состояния»
Δ++
,
Δ+
,
Δ0
, и
Δ−
, соответствовали проекциям изоспина I 3  = + ⁠3/2⁠ , Я 3  = + ⁠1/2⁠ , Я 3  = − ⁠1/2⁠ , и я 3  = − ⁠3/2⁠ , соответственно. Другой пример — «частица нуклона». Поскольку было два «заряженных состояния» нуклона, было сказано, что он имеет изоспин ⁠1/2⁠ . Положительный нуклон
Н+
(протон) был идентифицирован с I 3  = + ⁠1/2⁠ и нейтральный нуклон
Н0
(нейтрон) с I 3  = − ⁠1/2⁠ . [15] Позднее было отмечено, что проекции изоспина связаны с содержанием верхних и нижних кварков в частицах соотношением:

где n' — число верхних и нижних кварков и антикварков.

В «картине изоспина» четыре дельты и два нуклона считались различными состояниями двух частиц. Однако в кварковой модели дельты являются различными состояниями нуклонов (N ++ или N − запрещены принципом исключения Паули ). Изоспин, хотя и передает неточную картину вещей, все еще используется для классификации барионов, что приводит к неестественной и часто запутанной номенклатуре.

Квантовые числа вкуса

Было замечено, что квантовое число аромата странности S (не путать со спином) увеличивается и уменьшается вместе с массой частицы. Чем выше масса, тем ниже странность (больше s-кварков). Частицы можно описать с помощью проекций изоспина (связанных с зарядом) и странности (массы) (см. рисунки октета и декуплета uds справа). По мере открытия других кварков были созданы новые квантовые числа, которые имеют аналогичное описание октетов и декуплетов udc и udb. Поскольку похожи только массы u и d, это описание массы и заряда частицы в терминах квантовых чисел изоспина и аромата хорошо работает только для октета и декуплета, состоящих из одного u, одного d и одного другого кварка, и не работает для других октетов и декуплетов (например, октета и декуплета ucb). Если бы все кварки имели одинаковую массу, их поведение называлось бы симметричным , так как все они вели бы себя одинаково по отношению к сильному взаимодействию. Поскольку кварки не имеют одинаковой массы, они не взаимодействуют одинаковым образом (точно так же, как электрон, помещенный в электрическое поле, будет ускоряться больше, чем протон, помещенный в то же поле, из-за его меньшей массы), и говорят, что симметрия нарушена .

Было отмечено, что заряд ( Q ) связан с проекцией изоспина ( I3 ), барионным числом ( B ) и квантовыми числами аромата ( S , C , B ′, T ) формулой Гелл-Манна–Нисидзимы : [15]

где S , C , B ′ и T представляют собой квантовые числа аромата странности , очарования , низости и верхности соответственно. Они связаны с числом странных, очарованных, нижних и верхних кварков и антикварков в соответствии с соотношениями:

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

Спин, орбитальный угловой момент и полный угловой момент

Спин (квантовое число S ) — векторная величина, которая представляет собой «собственный» угловой момент частицы. Он имеет приращение ⁠1/2⁠  ħ (произносится как «h-bar»). ħ часто опускается, поскольку это «фундаментальная» единица спина, и подразумевается, что «спин 1» означает «спин 1 ħ». В некоторых системах натуральных единиц ħ выбирается равным 1, и поэтому нигде не появляется.

Кварки — это фермионные частицы со спином ⁠1/2⁠ ( С  =  ⁠1/2⁠ ). Поскольку проекции спина изменяются с шагом 1 (то есть 1 ħ), один кварк имеет вектор спина длиной ⁠1/2⁠ , и имеет две спиновые проекции ( S z  = + ⁠1/2⁠ и S z  = − ⁠1/2⁠ ). Два кварка могут иметь выровненные спины, 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 спина 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, образуя вектор длины S  =  ⁠3/2⁠ , который имеет четыре спиновые проекции ( S z  = + ⁠3/2⁠ , S z  = + ⁠1/2⁠ , S z  = − ⁠1/2⁠ , и S z  = − ⁠3/2⁠ ), или вектор длины S  =  ⁠1/2⁠ с 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 приращение 1 ħ, что представляет собой угловой момент, обусловленный вращением кварков 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. Он может принимать любое значение от J = | L − S | до J = | L + S | с приращением 1.

Физики, изучающие частицы, больше всего интересуются барионами без орбитального углового момента ( L  = 0), поскольку они соответствуют основным состояниям — состояниям с минимальной энергией. Поэтому две группы барионов, которые наиболее изучены, — это 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 возможно получить J  =  ⁠3/2⁠ + частицы из S  =  ⁠1/2⁠ и L  = 2, а также S  =  ⁠3/2⁠ и 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 — вещи вели бы себя одинаково, независимо от того, что мы называем «левым», а что — «правым». Эта концепция зеркального отражения называется « внутренней четностью » или просто «четностью» ( P ). Гравитация , электромагнитная сила и сильное взаимодействие ведут себя одинаково, независимо от того, отражается ли Вселенная в зеркале, и поэтому говорят, что они сохраняют четность (P-симметрию). Однако слабое взаимодействие отличает «левое» от «правого», явление, называемое нарушением четности (P-нарушением).

Исходя из этого, если бы волновая функция для каждой частицы (точнее, квантовое поле для каждого типа частиц) была бы одновременно зеркально обращена, то новый набор волновых функций идеально удовлетворял бы законам физики (кроме слабого взаимодействия). Оказывается, что это не совсем так: для того, чтобы уравнения были удовлетворены, волновые функции определенных типов частиц должны быть умножены на −1, в дополнение к тому, чтобы быть зеркально обращенными. Такие типы частиц, как говорят, имеют отрицательную или нечетную четность ( P  = −1, или альтернативно P  = –), в то время как другие частицы, как говорят, имеют положительную или четную четность ( P  = +1, или альтернативно P  = +).

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

Вследствие этого барионы без орбитального углового момента ( L  = 0) все имеют четную четность ( P  = +).

Номенклатура

Барионы классифицируются по группам в соответствии с их значениями изоспина ( I ) и содержанием кварка ( q ). Существует шесть групп барионов: нуклон (
Н
), Дельта (
Δ
), Лямбда (
Λ
), Сигма (
Σ
), Си (
Ξ
) и Омега (
Ω
). Правила классификации определяются Particle Data Group . Эти правила учитывают (
ты
), вниз (
г
) и странный (
с
) кварки, чтобы быть светом и очарованием (
с
), нижний (
б
), и сверху (
т
) кварки тяжелыми . Правила охватывают все частицы, которые могут быть сделаны из трех из каждого из шести кварков, хотя барионы, сделанные из топ-кварков, как ожидается, не будут существовать из-за короткого времени жизни топ-кварка . Правила не охватывают пентакварки. [20]

Также широко распространена (но не всеобщая) практика соблюдения некоторых дополнительных правил при различении некоторых штатов, которые в противном случае имели бы тот же символ. [15]

Кварки несут заряд, поэтому знание заряда частицы косвенно дает содержание кварка. Например, приведенные выше правила говорят, 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 au-кварком ( Q  = + ⁠2/3⁠ ), и ad кварк ( Q  = − ⁠1/3⁠ ), чтобы иметь правильный общий заряд ( Q  = +1).

Смотрите также

Цитаты

  1. ^ 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. ^ Накано, Тадао; Нисидзима, Казухико (ноябрь 1953 г.). «Независимость заряда для V-частиц». Progress of Theoretical Physics . 10 (5): 581–582. Bibcode :1953PThPh..10..581N. doi : 10.1143/PTP.10.581 . «Барион» — это собирательное название для членов семейства нуклонов. Это название дано Пайсу . См. ссылку (6).
  3. ^ J. Michael Shull; et al. (2012). «Перепись барионов в многофазной межгалактической среде: 30% барионов могут все еще отсутствовать». Т. 759, № 1. The Astrophysical Journal. doi :10.1088/0004-637X/759/1/23.
  4. ^ J.-P. Macquart; et al. (2020). «Перепись барионов во Вселенной по локализованным быстрым радиовсплескам». Т. 581. Nature. С. 391–395. doi :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 пентакварка-чармония, наблюдаемых в распадах Λ0b → J/ψpK−». ЦЕРН . Получено 14 июля 2015 г.
  10. ^ Р. Аай и др. ( Сотрудничество LHCb ) (2015). «Наблюдение резонансов J/ψp, согласующихся с состояниями пентакварка в Λ0
    б→J/ψК    − p распадается". Physical Review Letters . 115 (7): 072001. arXiv : 1507.03414 . Bibcode : 2015PhRvL.115g2001A. doi : 10.1103/PhysRevLett.115.072001. PMID  26317714. S2CID  119204136.
  11. ^ "11.3: Законы сохранения частиц". LibreTexts . 1 ноября 2016 г. Архивировано из оригинала 10 августа 2022 г. Получено 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. Гарсилазо и др. (2007)
  18. ^ ДМ Мэнли (2005)
  19. ^ ССМ Вонг (1998b)
  20. ^ C. Amsler et al. (2008): Схема наименования адронов

Общие ссылки

Внешние ссылки