Адроны. Элементарные частицы

Адроны обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами (странностью, очарованием, красотой и др.)

Процесс формирования адронов из цветных объектов - кварков и глюонов называется адронизация.

Адроны делятся на две основные группы в соответствии с их кварковым составом:

• Барионы - состоят из трёх кварков трёх цветов, образуя так называемую бесцветную комбинацию. Именно из барионов построена подавляющая часть наблюдаемого нами вещества - это нуклоны, составляющие ядро атома и представленные протоном и нейтроном. К барионам относятся также многочисленные гипероны - более тяжёлые и нестабильные частицы, получаемые на ускорителях элементарных частиц.

• Мезоны - состоят из одного кварка и одного антикварка. К мезонам относятся пионы (π-мезоны) и каоны (K-мезоны) и многие более тяжёлые мезоны.

В последнее время были обнаружены так называемые экзотические адроны , которые также являются сильновзаимодействующими частицами, но которые не укладываются в рамки кварк-антикварковой или трёхкварковой классификации адронов. Некоторые адроны пока только подозреваются в экзотичности. Экзотические адроны делятся на:

• экзотические барионы, в частности пентакварки, минимальный кварковый состав которых - 4 кварка и 1 антикварк.
• экзотические мезоны - в частности адронные молекулы, глюболы и гибридные мезоны.

• 1 Барионы (фермионы)
• 2 Мезоны (бозоны)
• 3 История
• 4 См. также
• 5 Примечания
• 6 Литература
• 7 Ссылки

Барионы (фермионы)

Обычные барионы (фермионы) содержат каждый три валентных кварка или три валентных антикварка.

• Нуклоны - фермионные составляющие обычного атомного ядра:
  • протоны;
  • нейтроны.
• Гипероны, такие, как Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-частицы, содержат один или больше s-кварков, быстро распадаются и тяжелее нуклонов. Хотя обычно в атомном ядре гиперонов нет (в нём содержится лишь примесь виртуальных гиперонов), существуют связанные системы одного или более гиперонов с нуклонами, называемые гиперядрами.
• Также были обнаружены очарованные и прелестные барионы.

• Пентакварки состоят из пяти валентных кварков (точнее, четырёх кварков и одного антикварка).

Недавно были найдены признаки существования экзотических барионов, содержащих пять валентных кварков; однако были сообщения и об отрицательных результатах. Вопрос их существования остаётся открытым.

См. также дибарионы.

Мезоны (бозоны)

Обычные мезоны содержат валентный кварк и валентный антикварк. их число входят пион, каон, J/ψ-мезон и многие другие типы мезонов. моделях ядерных сил взаимодействие между нуклонами переносится мезонами.

Могут существовать также экзотические мезоны (их существование всё ещё под вопросом):

• Тетракварки состоят из двух валентных кварков и двух валентных антикварков.
• Глюболы - связанные состояния глюонов без валентных кварков.
• Гибриды состоят из одной или более кварк-антикварковых пар и одного или более реальных глюонов.

Мезоны с нулевым спином формируют нонет.

История

В начале русскоязычные физики называли класс «гадрон».

См. также

• Классификация элементарных частиц
• Большой адронный коллайдер

Примечания

1. Okun, L. B. (1962). "The Theory of Weak Interaction". Proceedings of 1962 International Conference on High-Energy Physics at CERN, p. 845.
2. 1 2 3 Классификация адронов. Элементы.ру. Проверено 2 июня 2014. Архивировано из первоисточника 3 марта 2014.
3. Гипотеза кварковых звезд Д. Д. Иваненко, Д. Ф. Курдгелаидзе Физический факультет Московского университета 17 июля 1965 (Астрофизика 1965, 1, 479-482)

Литература

• Jean Letessier, Johann Rafelski, T. Ericson, P. Y. Landshoff. Hadrons and Quark-Gluon Plasma. - Cambridge University Press, 2002. - 415 p. - ISBN 9780511037276.

Ссылки

• Адроны в Физической энциклопедии

адронен колайдер, адрони, адронная терапия, адронний колайдер, адронного коллайдера, адронный, адронный колайдер, адронный коллайдер, адроны, адроный колайдер

Адроны - общее название для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - мезоны и барионы .

Б а р и о н ы (от греческого слова, означающего «тяжелый») - это адроны с полуцелым спином (см. Спин). Самые известные барионы - протон и нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда-то странностью. Единицей странности обладают барион лямбда (А°) и семейство барионов сигма (2 , и 2°). Индексы -, 0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обладают барионы кси (Е- и Е°). Барион имеет странность, равную трем.

Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около Ю-10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микромира это не так. Такая частица, даже двигаясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оставить свой след в детекторе элементарных частиц (см. Детекторы ядерных излучений). Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антибарионов (см. Четность, Пептоны, Протон).

Мезоны - адроны с целым спином . Название произошло от греческого слова, означающего «средний», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Легчайшие из мезонов - пионы, или пи-мезоны л-, л+ и Их массы примерно в 6-7 раз меньше массы протона. Более массивны странные мезоны - каоны К+, К~ и /С0: их массы почти в два раза меньше массы протона. Характерное время жизни этих мезонов - Ю-8 с.

Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма-минус 2- имеет античастицу антисигма-плюс 2 + , которая отлична от 2 + . То же самое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколько иначе: отрицательный пион - античастица положительного пиона, а нейтральный пион античастицы вообще не имеет, поскольку является античастицей сам себе. В то же время нейтральный каон К0 имеет античастицу К0. Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов.

Мир адронов огромен - он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабильны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка 10-23с.

По современным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами. Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трех кварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и всегда отличен от бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в состав которых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметь античастиц. Кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем. В принципе теория допускает существование других адронов, построенных из большего числа кварков или, наоборот, из одного глюонного поля. В последнее время появились некоторые экспериментальные данные о возможном существовании таких гипотетических частиц.

Динамическая теория кварков, описывающая их взаимодействия, стала развиваться относительно недавно. Первоначально кварковая модель была предложена для «наведения порядка» в слишком многочисленном семействе адронов. Эта модель включала кварки трех видов, или, как принято говорить, ароматов. С помощью кварков удалось навести порядок в многочисленном семействе адронов, распределив их в группы частиц, называемые мультиплетами. Частицы одного мультиплета имеют близкие массы, но не только это послужило основой их классификации; кроме опытных данных в этом случае использовали специальный математический аппарат теории групп.

В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описания всех адронов. В 1974 г. были открыты так называемые пси-мезоны, состоящие из кварка и антикварка нового вида (сс). Этот аромат был назван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался гораздо тяжелее своих «собратьев»: легчайшая из пси-частиц - мезон J/ -ф - имеет массу 3097 МэВ, т. е. в 3 раза тяжелее протона. Время ее жизни около Ю-20с.

Было открыто целое семейство пси-мезонов с тем же кварковым составом сс, но находящихся в возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих большие массы. Было очевидно, что должны существовать и связанные состояния с-кварка с кварками других ароматов. В такого рода частицах «очарование» с-кварка не будет компенсироваться «антиочарованием» с-кварка, как это происходит в пси-мезонах. Поэтому такие частицы получили название очарованных мезонов.

Адроны делят на две группы: мезоны (s = 0, 1, участвует в сильном взаимодействии) и барионы (s = 1/2, 3/2, участвуют в сильном взаимодействии). Барионы делятся на нуклоны (s =1/2) и гипероны (s = 1/2, 3/2).

2. В чем состояла кварковая гипотеза М.Геллмана и Д.Цвейга? Какие эксперименты подтвердили существование трех точечных зарядов в нуклонах? Почему спин этих зарядов (кварков) полуцелый?

Потому что нуклоны имеют полуцелый спин и состоят из трех кварков, и если мы предполагаем, что у всех кварков одинаковый спин, то он должен быть полуцелым.

3. Приведите расчет электрических возможных зарядов кварков. Как назвали эти кварки?

Обозначим за Q и q возможные электрические заряды кварков.

Если мы решим эту систему двух уравнений с двумя переменными мы получим

(такой кварк назвали u-кварком); q = -1/3е (d-кварк).

4. Какие законы сохранения отражали сохранение в ядерных реакциях зарядового и массового числа? Сформулируйте закон сохранения барионого заряда. Как он подтверждает невозможность распада бариона на более мелкие частицы?

Закон сохранения электрического заряда отражает сохранение зарядового числа, а закон сохранения массы отражает сохранение массового числа.

Закон сохранения барионного заряда: барионный заряд сохраняется во всех взаимодействиях. Невозможность распада протона на более мелкие частицы объясняется сохранением барионного заряда. Барионный заряд кварков равен 1/3, для барионов (протонов и нейтронов) В = 1 (барионный заряд ядра). При β-распаде закон сохранения барионного заряда имеет вид

Адронами называют частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Все адроны - составные частицы, они состоят из кварков или антикварков. Мезоны - это адроны, состоящие из кварк-антикварковой пары, барионы - это адроны, состоящие из трех кварков (соответственно, антибарионы состоят их трех антикварков).

И уже в этом определении, таком простом и коротком, скрыто несколько тонкостей, про которые можно говорить очень долго. Мы пускаться в эти разговоры не будем, а упомянем только три самых важных момента.

Составные кипричики

Обычно, когда говорят, что какой-то предмет состоит из частей, то предполагают, что эти части можно, по крайней мере в принципе, отделить друг от друга и предъявить каждую из них по отдельности. Для кварков это предположение не работает. Да, это не очень интуитивное свойство, его трудно совместить с повседневным опытом, но дела в кварковом мире обстоят именно так.

Физики видят в многочисленных экспериментах, что протоны, нейтроны и другие адроны действительно состоят из отдельных «комочков материи», которые, хоть и движутся друг относительно друга, но навеки скреплены глюонными силами. Разделить протон на отдельные кварки, отделить один кварк от других не получится. Как только вы попытаетесь это сделать, приложите достаточную силу для вытягивания одного кварка из протона, так сразу же глюонное поле породит новую кварк-антикварковую пару. Вместо вытягивания кварка вы извлечете из протона мезон, а протон так и останется протоном (рис. 1). Этот процесс называется адронизация - «превращение в адроны».

Такое поведение кварков называют конфайнментом - «пленением» кварков внутри адронов. Получается так вовсе не из-за самих кварков, а из-за сил, которые между ними действуют. Связывающее их силовое поле не просто сильное, оно очень особенное, непохожее на электромагнитные силы. Это силовое поле способно чувствовать само себя, способно взаимодействовать с собой и от этого усиливаться. В результате получается, что если этому силовому полю предоставить всё пространство, то его энергия будет неограниченно возрастать. Это очень невыгодно с точки зрения энергии; гораздо выгоднее для этого поля будет породить много кварк-антикварковых пар, которые замкнут на себя это поле. И вот тогда оно будет спрятано в отдельных кварковых или антикварковых комбинациях, а на всё пространство распространяться не будет.

На жаргоне физиков то свойство, которое позволяет кваркам чувствовать глюонное поле, называется цвет (он, конечно, не имеет никакого отношение к оптическим цветам, это просто приятное название для новой величины). Цветов у кварков три, и еще три противоположных цвета у антикварков. А адронами являются не произвольные, а именно такие комбинации, в которых все цвета «сокращаются», или, как говорят физики, бесцветные комбинации (то есть три кварка с тремя разными цветами или кварк и антикварк с противоположным цветом).

Конечно, это всё - очень упрощенное описание; реальное положение дел гораздо сложнее. Более того, явление конфайнмента до сих пор не понято на достаточном уровне математической строгости. Математический институт Клэя даже назначил премию в миллион долларов за решение этой задачи. Однако на описательном уровне явление конфайнмента считается установленным.

Наивная кварковая модель

Описанная выше схема, по которой кварки группируются по двое и по трое и становятся бесцветными адронами, называется наивной кварковой моделью . Эта модель не объясняет, почему все адроны объединяются только по двое и по трое. Можно построить и другие бесцветные комбинации кварков и антикварков, создать многокварковые адроны, но они почему-то на опыте не встречаются.

А точнее, они не встречались до недавнего момента. Начиная с середины 2000-х годов стали появляться надежные экспериментальные данные, что некоторые адроны не вписываются в простую схему наивной кварковой модели. Такие адроны называются экзотическими . Правда, количество известных на сегодня экзотических адронов очень невелико, всего несколько штук против нескольких сотен обычных адронов - и причем все они мезоны; подтвержденных данных по пентакваркам и другим экзотическим барионам пока нет.

Получается, что природа всё же выходит за рамки простейшей схемы, но очень уж неохотно. Почему так происходит и что вообще представляют из себя экзотические адроны, пока что остается предметом активных исследований.

Состав - понятие относительное!

Даже в слове «состоит » скрыто немало тонкостей. Дело в том, что утверждение «протон состоит из трех кварков » хорошо работает только для неподвижного или медленно движущегося протона. Если же протон летит со скоростью, близкой к скорости света, то его состав кардинально меняется: в нем словно «нарождаются» многочисленные кварки, антикварки и глюоны (они совокупно называются партоны ), которые летят вперед одним компактным облаком и, собственно, представляют собой протон. В столкновении таких быстролетящих протонов реально сталкивается не вся толпа этих отдельных частиц, а лишь по одному партону (изредка - больше); см. рис. 2.

Кварки и их свойства

Сейчас известно шесть сортов (на физическом жаргоне - ароматов ) кварков. Они обозначаются буквами u, d, s, c, b, t и попарно объединяются в три поколения кварков (рис. 3). Из них только первые пять участвуют в образовании адронов. Топ-кварк t настолько тяжел, что распадается исключительно быстро и попросту не успевает образовать адроны. Известно также, что других кварков не существует; по крайней мере, не существует других легких кварков, которые могли бы образовывать настоящие адроны.

Пройдемся кратко по всем пяти «адронообразующим» кваркам.

• Легкие кварки u (up, верхний) и d (down, нижний). Легкие кварки - самые распространенные в природе. Именно из них состоят протоны (uud), нейтроны (udd), переносчики ядерных сил, пи-мезоны. Обычно пишут, что массы u- и d-кварков составляют несколько МэВ, но это число для адронной физики почти бесполезно. Дело в том, что массы адронов получаются не только из масс кварков, но еще и из-за конфайнмента, который дает вклад в общую массу адрона от 100 до нескольких сотен МэВ.
• Странный кварк s. Название «странный» возникло исторически, когда содержащие его частицы (странные адроны) только-только стали появляться в экспериментальных данных и вели себя «как-то не так» по сравнению с известными адронами. Странные адроны уже давно не считаются чем-то необычным, это вполне «рутинные» частицы в современных экспериментах.
• Очарованный кварк c. Такое симпатичное название - просто причуда физического жаргона, отчасти скрашивающая сухие тексты по адронной физике. Содержащие этот кварк частицы (очарованные адроны) тяжелее своих легких собратьев (к их массе добавляется примерно 1,5 ГэВ на каждый c-кварк) и живут недолго, порядка одной пикосекунды (в системе покоя частицы). Тем не менее это позволяет им отлететь от точки рождения на расстояния порядка миллиметра, что надежно регистрируется детекторами . Такое разделение событий рождения и распада позволяет хорошо идентифицировать такие адроны.
• Прелестный кварк b еще тяжелее, его масса около 5 ГэВ, однако время жизни его даже больше, чем у c-кварка, - около 1,5 пс. Из-за того что масса b-кварка намного больше адронного масштаба масс (несколько сотен МэВ), становится очень удобно описывать прелестные адроны как связанную систему тяжелого и легкого кварка; многие успехи в теоретическом описании прелестных адронов связаны именно с этим простым фактом.

Классификация адронов

Общепринятые обозначения

Адроны могут содержать любые комбинации этих пяти кварков, которые, к тому же, могут еще и по-разному двигаться друг вокруг друга наподобие того, как электроны могут по-разному двигаться вокруг ядра. Поэтому даже из небольшого числа кварков можно, в принципе, составить неограниченное количество адронов. Конечно, как открыть их эксприментально - это отдельный вопрос.

Мезоны и барионы с разным кварковым составом обозначаются разными прописными буквами; при этом мезоны обычно обозначаются латинскими буквами (K-мезоны, D-мезоны, B-мезоны), а барионы - греческими (Λ, Σ, Ξ, Ω). Исключение составляют исторически сложившиеся названия: π-мезоны, ρ-мезоны, p, n и т. п. Внутри одного семейства частицы обозначаются одинаковой буквой, но к ней либо приписываются индексы, либо в скобках добавляется масса. Например, «обычный» B-мезон c кварковым составом (d-анти-b) так и обозначается: B, но мезон с составом s-анти-b обозначается B s и называется странным прелестным мезоном. Обычный Λ-барион с кварковым составом uds обозначается просто Λ, а возбужденное состояние тех же кварков с общей массой 1519,5 МэВ обозначается Λ(1520).

Особый класс составляют мезоны с кварком и антикварком одинакового аромата, в особенности c-анти-c и b-анти-b. Такие состояния называются кваркониями (и конкретно - «чармонием» в случае c-анти-c и «боттомонием» в случае b-анти-b), по аналогии с позитронием, который состоит из электрона и его античастицы, позитрона. В семействе кваркониев есть много состояний со слегка отличающимися массами, которые могут переходить друг в друга с излучением фотонов, по аналогии с переходами электронов между уровнями энергии в возбужденных атомах.