Адрони. Елементарні частки

Адрони мають квантові числа, що зберігаються в процесах сильної взаємодії (дивовиною, чарівністю, красою та ін.)

Процес формування адронів із кольорових об'єктів – кварків та глюонів називається адронізація.

Адрони поділяються на дві основні групи відповідно до їх кваркового складу:

• Баріони- Складаються з трьох кварків трьох кольорів, утворюючи так звану безбарвну комбінацію. Саме з баріонів побудована переважна частина спостерігається нами речовини - це нуклони, що становлять ядро ​​атома і представлені протоном і нейтроном. До баріонів відносяться також численні гіперони - більш важкі та нестабільні частинки, які отримують на прискорювачах елементарних частинок.

• Мезони- складаються з одного кварку та одного антикварка. До мезонів відносяться півонії (π-мезони) і каони (K-мезони) і багато важчих мезонів.

Останнім часом було виявлено так звані екзотичні адрони, які також є сильновзаємодіючими частинками, але які не укладаються в рамки кварк-антикваркової або трикваркової класифікації адронів. Деякі адрони поки що тільки підозрюються в екзотичності. Екзотичні адрони поділяються на:

• екзотичні баріони, зокрема пентакварки, мінімальний кварковий склад яких - 4 кварки та 1 антикварк.
• екзотичні мезони – зокрема адронні молекули, глюболи та гібридні мезони.

• 1 Баріони (ферміони)
• 2 Мезони (бозони)
• 3 Історія
• 4 Див.
• 5 Примітки
• 6 Література
• 7 Посилання

Баріони (ферміони)

Звичайні баріони (ферміони) містять кожен три валентні кварки або три валентні антикварки.

• Нуклони – ферміонні складові звичайного атомного ядра:
  • протони;
  • нейтрони.
• Гіперони, такі, як Λ-, Σ-, Ξ- і Ω-частинки, містять один або більше s-кварків, швидко розпадаються і важче за нуклони. Хоча зазвичай в атомному ядрі гіперонів немає (у ньому міститься лише домішка віртуальних гіперонів), існують пов'язані системи одного або більше гіперонів з нуклонами, які називаються гіперядрами.
• Також були виявлені зачаровані та чарівні баріони.

• Пентакварки складаються з п'яти валентних кварків (точніше, чотирьох кварків та одного антикварку).

Нещодавно знайшли ознаки існування екзотичних баріонів, що містять п'ять валентних кварків; однак були повідомлення про негативні результати. Питання існування залишається відкритим.

також дибаріони.

Мезони (бозони)

Звичайні мезони містять валентний кварк та валентний антикварк. їх число входять півонія, каон, J/ψ-мезон та багато інших типів мезонів. моделях ядерних сил взаємодія між нуклонами переноситься мезонами

Можуть існувати екзотичні мезони (їх існування все ще під питанням):

• Тетракварки складаються з двох валентних кварків та двох валентних антикварків.
• Глюболи – пов'язані стани глюонів без валентних кварків.
• Гібриди складаються з однієї або більше кварк-антикваркових пар та одного або більше реальних глюонів.

Мезони з нульовим спином формують нонет.

Історія

Спочатку російськомовні фізики називали клас «гадрон».

Див. також

• Класифікація елементарних частинок
• Великий адронний колайдер

Примітки

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 Класифікація адронів. Елементи. Перевірено 2 червня 2014 року. Архівовано з першоджерела 3 березня 2014 року.
3. Гіпотеза кваркових зірок Д. Д. Іваненко, Д. Ф. Курдгелаїдзе Фізичний факультет Московського університету 17 липня 1965 року (Астрофізика 1965, 1, 479-482)

Література

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

Посилання

• Адрони у Фізичній енциклопедії

адронний колайдер, адронний колайдер, адронний колайдер, адронний колайдер, адронний колайдер, адронний коллайдер, адронний колайдер

Адрони- загальна назва для часток, що беруть участь у сильних взаємодіях. Назва походить від грецького слова, що означає "сильний, великий". Усі адрони поділяються на дві великі групи. мезони та баріони.

Баріони (від грецького слова, що означає «важкий») - це адрони з напівцілим спином (див. Спін). Найвідоміші баріони - протон та нейтрон. До баріонів належить також ряд частинок із квантовим числом, названим колись дивним. Одиницею дивності володіють баріон лямбда (А °) і сімейство баріонів сигма (2 і 2 °). Індекси - 0 вказують на знак електричного заряду або нейтральність частинки. Двома одиницями дивацтва мають баріони кси (Е-і Е°). Баріон має дивність, рівну трьом.

Маси перерахованих баріонів приблизно в півтора рази більші за масу протона, а їх характерний час життя становить близько Ю-10 с. Нагадаємо, що протон практично стабільний, а нейтрон живе понад 15 хв. Здавалося б, важчі баріони дуже недовговічні, але за масштабами мікросвіту це не так. Така частка, навіть рухаючись відносно повільно, зі швидкістю, скажімо, рівною 10% від світлової, встигає пройти шлях кілька міліметрів і залишити свій слід у детекторі елементарних частинок (див. Детектори ядерних випромінювань). Однією з властивостей баріонів, що відрізняють їх від інших видів частинок, можна вважати наявність у них барійного заряду, що зберігається. Ця величина введена для опису досвідченого факту сталості у всіх відомих процесах різниці між числом баріонів та антибаріонів (див. Четність, Пептони, Протон).

Мезони – адрони з цілим спином. Назва походить від грецького слова, що означає «середній», оскільки маси перших відкритих мезонів мали проміжні значення між масами протона та електрона. Баріонний заряд мезонів дорівнює нулю. Найлегші з мезонів - півонії, або пі-мезони л-, л+ та їх маси приблизно в 6-7 разів менші за масу протона. Найбільш масивні дивні мезони - каони К+, К~ і /С0: їх маси майже вдвічі менші за масу протона. Характерний час життя цих мезонів – Ю-8 с.

Майже всі адрони мають античастинки. Так, баріон сигма-мінус 2 має античастку антисигма-плюс 2 + , яка відмінна від 2 + . Те саме можна сказати і про інші баріони. З мезонами справа дещо інакше: негативний півонія - античастка позитивного півонії, а нейтральний півонія античастки взагалі не має, оскільки є античастинкою сам собі. У той самий час нейтральний каон К0 має античастинку К0. Ці факти отримують пояснення у кварковій моделі адронів.

Світ адронів величезний – він включає понад 350 частинок. Більшість їх дуже нестабільні: вони розпадаються більш легкі адрони під час порядку 10-23с.

За сучасними уявленнями адрони є істинно елементарними частинками. Вони мають кінцеві розміри та складну структуру. Баріони складаються з трьох кварків. Відповідно антибаріон складається з трьох антикварків і завжди відрізняється від баріону. Мезони побудовані з кварку та антикварку. Зрозуміло, що мезони, до складу яких входять пари з кварків та антикварків одного сорту, не матимуть античастинок. Кварки утримуються усередині адронів глюонним полем. У принципі теорія припускає існування інших адронів, побудованих з більшої кількості кварків або, навпаки, з одного глюонного поля. Останнім часом з'явилися деякі експериментальні дані щодо можливого існування таких гіпотетичних частинок.

Динамічна теорія кварків, що описує їх взаємодії, почала розвиватися відносно недавно. Спочатку кваркова модель була запропонована для «наведення порядку» у надто численному сімействі адронів. Ця модель включала кварки трьох видів, або, як кажуть, ароматів. За допомогою кварків вдалося навести лад у численному сімействі адронів, розподіливши їх у групи частинок, звані мультиплетами. Частинки одного мультиплета мають близькі маси, але це послужило основою їх класифікації; Крім дослідних даних, у цьому випадку використовували спеціальний математичний апарат теорії груп.

Надалі виявилося, що трьох кваркових ароматів недостатньо для опису всіх адронів. У 1974 р. було відкрито звані пси-мезоны, які з кварку і антикварка нового виду (сс). Цей аромат був названий чарівністю. Новий зачарований кварк з виявився набагато важчим за своїх «побратимів»: найлегша з пси-частинок - мезон J/-ф - має масу 3097 МеВ, тобто в 3 рази важче за протон. Час життя близько Ю-20с.

Було відкрито ціле сімейство псі-мезонів з тим же кварковим складом сс, але що знаходяться у збуджених станах і внаслідок цього мають великі маси. Було очевидно, що повинні існувати і пов'язані стани з кварками з кварками інших ароматів. У таких частках «чарівність» с-кварка не компенсуватиметься «античарованием» с-кварка, як це відбувається в пси-мезонах. Тому такі частки отримали назву зачарованих мезонів.

Адрони ділять на дві групи: мезони (s = 0, 1, бере участь у сильній взаємодії) та баріони (s = 1/2, 3/2, беруть участь у сильній взаємодії). Баріони діляться на нуклони (s=1/2) та гіперони (s=1/2, 3/2).

2. У чому полягала кваркова гіпотеза М.Геллмана та Д.Цвейга? Які експерименти підтвердили існування трьох точкових зарядів у нуклонах? Чому спин цих зарядів (кварків) напівцілий?

Тому що нуклони мають напівцілий спин і складаються з трьох кварків, і якщо ми припускаємо, що у всіх кварків однаковий спин, то він має бути напівцілим.

3. Наведіть розрахунок можливих електричних зарядів кварків. Як назвали ці кварки?

Позначимо за Q та q можливі електричні заряди кварків.

Якщо ми вирішимо цю систему двох рівнянь із двома змінними ми отримаємо

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

4. Які закони збереження відображали збереження в ядерних реакціях зарядового та масового числа? Сформулюйте закон збереження баріонного заряду. Як він підтверджує неможливість розпаду баріону на дрібніші частки?

Закон збереження електричного заряду відбиває збереження зарядового числа, а закон збереження маси відбиває збереження масового числа.

Закон збереження баріонного заряду: баріонний заряд зберігається у всіх взаємодіях. Неможливість розпаду протона більш дрібні частки пояснюється збереженням барионного заряду. Баріонний заряд кварків дорівнює 1/3, для баріонів (протонів та нейтронів) В = 1 (баріонний заряд ядра). При β-розпаді закон збереження баріонного заряду має вигляд

Адронаминазивають частинки, що у сильному взаємодії. Усі адрони – складові частинки, вони складаються з кварків чи антикварків. Мезони- це адрони, що складаються з кварк-антикваркової пари, баріони- це адрони, що складаються з трьох кварків (відповідно, антибаріони складаються з трьох антикварків).

І вже в цьому визначенні, такому простому та короткому, приховано кілька тонкощів, про які можна говорити дуже довго. Ми пускатися в ці розмови не будемо, а згадаємо лише три найважливіші моменти.

Складові кипричіки

Зазвичай, коли кажуть, що якийсь предмет складається з частин, то припускають, що ці частини можна принаймні в принципі відокремити один від одного і пред'явити кожну з них окремо. Для кварків це припущення не працює. Так, це не дуже інтуїтивна властивість, його важко поєднати з повсякденним досвідом, але справи в кварковому світі саме так.

Фізики бачать у численних експериментах, що протони, нейтрони та інші адрони справді складаються з окремих «комочків матерії», які, хоч і рухаються одна щодо одної, але навіки скріплені глюонними силами. Розділити протон на окремі кварки, відокремити один кварк від інших не вдасться. Як тільки ви спробуєте це зробити, прикладіть достатню силу для витягування одного кварку з протона, так одразу ж глюонне поле породить нову кварк-антикваркову пару. Замість витягування кварка ви витягнете з протона мезон, а протон так і залишиться протоном (рис. 1). Цей процес називається адронізація- «перетворення на адрони».

Таку поведінку кварків називають конфайнментом- «Полоненням» кварків усередині адронів. Виходить так зовсім не через самі кварки, а через сили, які між ними діють. Сполучне їх силове поле не просто сильне, воно дуже особливе, несхоже на електромагнітні сили. Це силове поле здатне почувати себе, здатне взаємодіяти з собою і від цього посилюватися. В результаті виходить, що якщо цьому силовому полю надати весь простір, його енергія буде необмежено зростати. Це дуже невигідно з погляду енергії; набагато вигідніше для цього поля буде породити багато кварк-антикваркових пар, які замкнуть на себе це поле. І ось тоді воно буде заховано в окремих кваркових або антикваркових комбінаціях, а на весь простір не поширюватиметься.

На жаргоні фізиків та властивість, яка дозволяє кваркам відчувати глюонне поле, називається колір(Він, звичайно, не має жодного відношення до оптичних кольорів, це просто приємна назва для нової величини). Квітів у кварків три, і ще три протилежні кольори у антикварків. А адронами є не довільні, а саме такі комбінації, в яких усі кольори «скорочуються», або, як кажуть фізики, безбарвні комбінації (тобто три кварки з трьома різними кольорами або кварк та антикварк із протилежним кольором).

Звичайно, це все – дуже спрощений опис; реальний стан справ набагато складніший. Більше того, явище конфайнменту досі не зрозуміло на достатньому рівні математичної суворості. Математичний інститут Клея навіть призначив премію мільйон доларів за вирішення цього завдання. Однак на описовому рівні явище конфайнменту вважається встановленим.

Наївна кваркова модель

Описана вище схема, за якою кварки групуються по двоє та по троє і стають безбарвними адронами, називається наївною кварковою моделлю . Ця модель не пояснює, чому всі адрони об'єднуються лише по двоє та по троє. Можна побудувати інші безбарвні комбінації кварків і антикварків, створити багатокваркові адрони, але вони чомусь на досвіді не зустрічаються.

А точніше вони не зустрічалися до недавнього моменту. Починаючи з середини 2000-х років почали з'являтися надійні експериментальні дані, деякі адрони не вписуються в просту схему наївної кваркової моделі. Такі адрони називаються екзотичними. Щоправда, кількість відомих на сьогодні екзотичних адронів дуже невелика, лише кілька штук проти кількох сотень звичайних адронів – і всі вони мезони; підтверджених даних щодо пентакварок та інших екзотичних баріонів поки немає.

Виходить, що природа все ж таки виходить за рамки найпростішої схеми, але дуже неохоче. Чому так відбувається і що взагалі являють собою екзотичні адрони, поки що залишається предметом активних досліджень.

Склад – поняття відносне!

Навіть у слові « складається» приховано чимало тонкощів. Справа в тому, що твердження « протон складається з трьох кварків» добре працює тільки для нерухомого або протона, що повільно рухається. Якщо ж протон летить зі швидкістю, близькою до швидкості світла, його склад кардинально змінюється: у ньому наче «народжуються» численні кварки, антикварки і глюони (вони сукупно називаються партони), які летять вперед однією компактною хмарою і, власне, є протоном. У зіткненні таких протонів, що швидко летять, реально стикається не весь натовп цих окремих частинок, а лише по одному партону (зрідка - більше); див. рис. 2.

Кварки та їх властивості

Наразі відомо шість сортів (на фізичному жаргоні - ароматів) кварків. Вони позначаються буквами u, d, s, c, b, t і попарно поєднуються в три покоління кварків (рис. 3). З них лише перші п'ять беруть участь в утворенні адронів. Топ-кварк t настільки важкий, що розпадається виключно швидко і просто не встигає утворити адрони. Відомо також, що інших кварків немає; принаймні, немає інших легких кварків, які б утворювати справжні адрони.

Пройдемося коротко по всіх п'яти «адроноутворюючих» кварках.

• Легкі кварки u(up, верхній) та d(Down, нижній). Легкі кварки - найпоширеніші у природі. Саме з них складаються протони (uud), нейтрони (udd), переносники ядерних сил, пі-мезони. Зазвичай пишуть, що маси u-і d-кварків становлять кілька МеВ, але це число для адронної фізики майже марне. Справа в тому, що маси адронів виходять не тільки з мас кварків, але ще й через конфайнмент, який дає внесок у загальну масу адрону від 100 до кількох сотень МеВ.
• Дивний кварк s.Назва «дивний» виникла історично, коли частинки (дивні адрони), що містять його, тільки-но стали з'являтися в експериментальних даних і вели себе «якось не так» в порівнянні з відомими адронами. Дивні адрони вже давно не вважаються чимось незвичайним, це цілком «рутинні» частки у сучасних експериментах.
• Зачарований кварк с.Така симпатична назва - просто примха фізичного жаргону, що частково прикрашає сухі тексти з адронної фізики. Частки, що містять цей кварк (зачаровані адрони), важче своїх легких побратимів (до їх маси додається приблизно 1,5 ГеВ на кожен c-кварк) і живуть недовго, порядку однієї пікосекунди (в системі спокою частинки). Тим не менш, це дозволяє їм відлетіти від точки народження на відстані порядку міліметра, що надійно реєструється. детекторами. Такий поділ подій народження та розпаду дозволяє добре ідентифікувати такі адрони.
• Чарівний кварк bще важче, його маса близько 5 ГеВ, проте час життя його навіть більший, ніж у c-кварка, - близько 1,5 пс. Через те, що маса b-кварка набагато більша за адронний масштаб мас (кілька сотень МеВ), стає дуже зручно описувати чарівні адрони як пов'язану систему важкого і легкого кварку; багато успіхів у теоретичному описі чарівних адронів пов'язані саме з цим простим фактом.

Класифікація адронів

Загальноприйняті позначення

Адрони можуть містити будь-які комбінації цих п'яти кварків, які, до того ж, можуть ще й по-різному рухатись один навколо одного на кшталт того, як електрони можуть по-різному рухатися навколо ядра. Тому навіть з небагатьох кварків можна, в принципі, скласти необмежену кількість адронів. Звичайно, як відкрити їх експриментально – це окреме питання.

Мезони і баріони з різним кварковим складом позначаються різними великими літерами; при цьому мезони зазвичай позначаються латинськими літерами (K-мезони, D-мезони, B-мезони), а баріони - грецькими (Λ, Σ, Ξ, Ω). Виняток становлять назви, що історично склалися: π-мезони, ρ-мезони, p, n і т. п. Усередині одного сімейства частки позначаються однаковою літерою, але до неї або приписуються індекси, або в дужках додається маса. Наприклад, «звичайний» B-мезон з кварковим складом (d-анти-b) так і позначається: B, але мезон зі складом s-анти-b позначається B s і називається дивним чарівним мезоном. Звичайний Λ-баріон з кварковим складом uds позначається просто Λ, а збуджений стан тих же кварків із загальною масою 1519,5 МеВ позначається Λ(1520).

Особливий клас складають мезони з кварком та антикварком однакового аромату, особливо c-анти-c та b-анти-b. Такі стани називаються кварконіями(і конкретно - «чармонієм» у разі c-анти-c та «боттомонієм» у разі b-анти-b), за аналогією з позитронієм, який складається з електрона та його античастинки, позитрона. У сімействі кварконіїв є багато станів з масами, що злегка відрізняються, які можуть переходити один в одного з випромінюванням фотонів, за аналогією з переходами електронів між рівнями енергії в збуджених атомах.