Класифікація та властивості. Адрони
Кожна людина чула про атоми і про те, що ці маленькі частинки речовини складають навколишню матерію. Однак не всі люди знають, що атом не є елементарною "цеглиною" світобудови. Що ним є? Однозначної відповіді наразі немає. Проте розгляд питання, що це адрон, допоможе прояснити проблему.
Навколишня матерія та її структура
Питання, що це – адрон, почнемо розглядати "згори". Вся речовина, з якою людина стикається щодня, яка може помацати, оцінити її колір та інші властивості, складається з сукупностей молекул та атомів. Останні, у свою чергу, утворені електронами та ядрами. Цей факт було встановлено приблизно століття тому завдяки роботам Ернеста Резерфорда.
Тепер залишимо поза увагою електрон та розглянемо атомне ядро. Як відомо, воно утворене двома видами частинок: нейтронами та протонами. І тут ми нарешті докопалися до суті, оскільки нейтрон і протон – це адрони.
Поняття про адрон
У випадку адрон - це частка, яка утворена кварками і може брати участь у сильних взаємодіях. Це визначення звучить не зовсім зрозуміло, оскільки необхідно знати, що являють собою кварки і сильні поля, що буде розглянуто нижче. Яке значення слова "адрон"? Воно має грецький корінь і перекладається як "масивний, щільний". Тобто йдеться про щільну частинку матерії, що має велику масу.
Як було сказано вище, адронами є протон та нейтрон, кожен із них складається з трьох кварків.
Що таке кварк?
Ближче до середини XX століття фізики з усього світу в різних експериментах почали спостерігати нові і нові "елементарні" частинки. Експерименти спочатку обмежувалися вивченням природної радіоактивності деяких хімічних елементів, а потім були побудовані перші прискорювачі частинок, які дозволили стикати їх високоенергетичні пучки, що значно збільшило кількість частинок. Останні мали різний заряд, спин, масу, час життя і по-різному поводилися у різних взаємодіях (слабких, сильних, електромагнітних).
Весь цей величезний пласт інформації призвів до того, що потрібна була теорія, яка зібрала б воєдино всі частинки. Такою теоретичною здогадкою став кварк. Цю назву вперше використав Маррі Гелл-Ман, американський фізик, у 1963 році. Цікаво відзначити, що слово "кварк" він підглянув у одному з літературних творів, воно означало імітацію крику чайок.
Завдяки введенню нової "цеглинки" у фізику елементарних частинок всі виявлені згустки матерії струнко лягли в рамки нової концепції. Зазначимо, що кварками утворені лише адрони, такі частинки, як нейтрино чи електрон, ставляться до класу лептонів, вважаються елементарними, і кварки до них немає жодного відношення.
Скільки кварків існує та якими характеристиками вони описуються?
Адрони складаються з кварків. Але що є кварк? Це реальний об'єкт, розмір якого знаходиться в межах 10 -18 -10 -15 метра. Існує 3 покоління кварків, які відрізняються один від одного смаком. Насправді лише перше покоління кварків бере участь у освіті стабільних адронів. Два інших покоління мають велику масу (енергію), тому швидко переходять у "базові" кварки.
До першого покоління відносяться всього дві частинки: u або верхній і d або нижній кварки. Відрізняються вони ізоспіном (u має +1/2, d має -1/2), зарядом та масою. Спин наведемо спеціально, щоб показати, що йдеться про ферміони, поведінка яких при високих щільності матерії відрізняється від бозонів (цілочисленний спин). Прикладом останніх можуть бути фотони, глюони та будь-які інші "переносники" взаємодії.
Скажімо два слова про смак і колір кварків, щоб не тримати читачів здивовано. Смак - це сукупність властивостей (ізоспін, "дивина", "чудесність", "дно", "вершина") кварку, яка зумовлює тип його взаємодії з бозонами Z і W, тобто визначає характер переходу між кварками (слабкі взаємодії). Смак часток u та d визначається виключно ізоспіном.
Що стосується кольору, то це зовсім інша властивість кварків, як, наприклад, їх електричний заряд або маса. Зі звичним нам усім словом "колір" воно, природно, не має ніякого фізичного зв'язку, а названо було так тому, що може приймати одне з 3 значень ("синій", "червоний", "зелений"). Колір пов'язаний із тривимірністю простору. Грубо можна сказати, що колір - це вектор, спрямований в одному із 3 напрямків (x, y, z). Введення кольору для кварків дозволило пояснити, чому вони можуть перебувати в одному стані (принцип заборони Паулі, за яким слідують усі ферміони).
Якщо враховувати згаданих два кварки (u, d), а також те, що кожен з них може мати один із 3 кольорів, то отримуємо 6 різних "цеглинок" для побудови адронів. Це число потрібно помножити на 2, оскільки для кожного є його античастка.
Класифікація адронів
Коли читач познайомився зі значенням слова "адрон" та з поняттям про кварки, можна навести загальноприйняту класифікацію елементарних частинок. Отже, всі вони поділяються на два великі класи: адрони та лептони.
Адрони представлені баріонами та мезонами. Перші утворені трьома кварками або трьома анікварками, другі - це сукупність всього 2 частинок: кварк-антикварк, тому всі мезони (піони, каони) мають невеликий час життя та анігілюють швидко. Баріони - це стабільні частинки-адрони, що мають напівчисленний спин (ферміони). Протон та нейтрон – яскраві представники баріонів, їх часто називають нуклонами, оскільки вони утворюють атомні ядра.
Таким чином, значення адронів у Всесвіті велике, адже вся навколишня матерія є баріонно-лептонною (електрон - це лептон). Однак сучасна наука підійшла до порога відкриття іншого виду речовини, тобто не баріонно-лептонної (темна матерія, речовина чорних дірок).
Нуклони: протон та нейтрон
Ці елементарні частинки-адрони утворені 2 типами кварків: u та d. Склад протона описується, як u-u-d, нейтрону - u-d-d. Вони кварки пов'язані сильними взаємодіями, носіями яких є глюони. Чим далі кварки знаходяться один від одного, тим сильніше зростають сили їхнього тяжіння. Цей факт пояснює, що окремий кварк у природі виявити не вдається.
Що стосується маси протона і нейтрону, то визначити її простим підсумовуванням трьох кварків не можна, оскільки вона набагато більша за цю суму. Справа в тому, що внесок у масу цих адронів робить не тільки кварк у спокої, а й у русі (кінетична енергія).
Протон і нейтрон можуть переходити один в одного внаслідок слабких взаємодій, що ведуть до перетворення між кварками u та d.
Зауважимо, що як кварки в адронах, і адрони між собою взаємодіють у вигляді однієї й тієї механізму - глюонового поля.
Сучасний стан фізики елементарних частинок
Кварки з'явилися у фізичної теорії на початку 1960-х років, а вже в 1970-х було висунуто припущення, що вони теж не є елементарними "цеглинами" і складаються з так званих преонів. Останні ще не відкриті, проте, якщо таке станеться, це має суттєво спростити існуючу теорію елементарного світу.
Крім проблеми вище, залишається ще низка невирішених питань:
- опис гравітації та темної матерії не укладається у стандартну модель Всесвіту;
- чому три кварки в протоні дають точний за модулем заряд елементарної частинки зовсім іншого класу - електрона (лептон);
- з'явилися свідчення існування адронів, що складаються не з 2, як мезони, або 3, як баріони, але з 5 кварків.
Усі згадані проблеми є простими. Достатньо лише сказати, що Альберт Ейнштейн присвятив останні 30 років свого життя рішенню деяких із них і не прийшов до жодного результату. Він мав IQ 160!
Називається адронізація.
Адрони поділяються на дві основні групи відповідно до їх кваркового складу:
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.
Баріони (ферміони)
Мезони (бозони)
Докладніше про список мезонів .Історія
Див. також
Напишіть відгук про статтю "Адрон"
Примітки
Література
- Jean Letessier, Johann Rafelski, T. Ericson, P. Y. Landshoff. Hadrons і Quark-Gluon Plasma. – Cambridge University Press, 2002. – 415 p. - ISBN 9780511037276.
Посилання
- у Фізичній енциклопедії
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Уривок, що характеризує Адрон
– Ну ви, лисиці! - Сміявся інший на ополченців, що згинаються, входили на батарею за пораненим.- Чи не смачна каша? Ах, ворони, заколянились! – кричали на ополченців, що зам'ялися перед солдатом із відірваною ногою.
— Дещо, хлопче, — передражнювали мужиків. – Пристрасть не люблять.
П'єр помічав, як після кожного ядра, що потрапив, після кожної втрати все більше і більше розгорялося загальне пожвавлення.
Як з грозової хмари, що присувається, частіше і частіше, світліше і світліше спалахували на обличчях всіх цих людей (ніби у відсіч відбувається) блискавки прихованого, вогню, що розгоряється.
П'єр не дивився вперед на полі битви і не цікавився знати про те, що там робилося: він весь був поглинений у споглядання цього вогню, що все більше і більше розпалюється, який так само (він відчував) розгорявся і в його душі.
О десятій годині піхотні солдати, що були попереду батареї в кущах і річкою Кам'янці, відступили. З батареї видно було, як вони пробігали назад повз неї, несучи на рушницях поранених. Якийсь генерал із почтом увійшов на курган і, поговоривши з полковником, сердито подивившись на П'єра, зійшов знову вниз, наказавши прикриттю піхоти, що стояла позаду батареї, лягти, щоб менше піддаватися пострілам. Потім у рядах піхоти, правіше батареї, почувся барабан, командні крики, і з батареї видно було, як ряди піхоти рушили вперед.
П'єр дивився через вал. Одне обличчя особливо впало йому в очі. То був офіцер, який з блідим молодим обличчям ішов задом, несучи опущену шпагу, і неспокійно озирнувся.
Ряди піхотних солдатів зникли в диму, почувся їхній протяжний крик і часта стрілянина рушниць. За кілька хвилин юрби поранених і нош пройшли звідти. На батарею ще частіше стали потрапляти снаряди. Кілька людей лежали неприбрані. Біля гармат дбайливіше і жвавіше рухалися солдати. Ніхто вже не звертав уваги на П'єра. Два рази на нього сердито крикнули за те, що він був на дорозі. Старший офіцер, з похмурим обличчям, великими, швидкими кроками переходив від однієї гармати до іншої. Молоденький офіцерик, ще більше розрум'янившись, ще старанніше командував солдатами. Солдати подавали заряди, поверталися, заряджали і робили свою справу з напруженою чепурністю. Вони на ходу стрибали, як на пружинах.
Грозова хмара насунулася, і в усіх обличчях яскраво горів той вогонь, за розгорянням якого стежив П'єр. Він стояв біля старшого офіцера. Молодий офіцерик підбіг, з рукою до ківера, до старшого.
- Маю честь доповісти, пане полковнику, зарядів є лише вісім, чи накажете продовжувати вогонь? - Запитав він.
– Картеч! - не відповівши, крикнув старший офіцер, що дивився через вал.
Раптом щось трапилося; офіцерик ахнув і, згорнувшись, сів на землю, як на льоту підстрелений птах. Все стало дивним, неясним і похмурим в очах П'єра.
Одне за одним свистіли ядра і билися в бруствер, солдатів, гармати. П'єр, що раніше не чув цих звуків, тепер тільки чув одні ці звуки. Збоку батареї, праворуч, з криком «ура» бігли солдати не вперед, а назад, як здалося П'єру.
Ядро вдарило в самий край валу, перед яким стояв П'єр, зсипало землю, і в очах його майнув чорний м'ячик, і в ту ж мить шльохнуло в щось. Ополченці, що були на батарею, побігли назад.
– Все картеччю! – кричав офіцер.
Унтер офіцер підбіг до старшого офіцера і зляканим пошепки (як за обідом повідомляє дворецький господареві, що немає більше необхідного вина) сказав, що зарядів більше не було.
– Розбійники, що роблять! – закричав офіцер, повертаючись до П'єра. Обличчя старшого офіцера було червоне і спітніле, нахмурені очі блищали. - Біжи до резервів, наводь ящики! - крикнув він, сердито обходячи поглядом П'єра і звертаючись до свого солдата.
- Я піду, - сказав П'єр. Офіцер, не відповідаючи йому, великими кроками пішов у інший бік.
– Не стріляти… Чекай! – кричав він.
Солдат, якому було наказано йти за зарядами, зіткнувся з П'єром.
- Ех, пане, не місце тобі тут, - сказав він і побіг униз. П'єр побіг за солдатом, обминаючи те місце, де сидів молоденький офіцерик.
Одне, друге, третє ядро пролітали над ним, ударялося попереду, з боків, ззаду. П'єр утік униз. «Куди я?» - Раптом згадав він, уже підбігаючи до зелених ящиків. Він зупинився у нерішучості, йти йому назад чи вперед. Раптом страшний поштовх відкинув його на землю. Тієї ж миті блиск великого вогню висвітлив його, і в ту ж мить пролунав оглушливий, дзвін у вухах грім, тріск і свист.
П'єр, опритомнівши, сидів на заду, спираючись руками об землю; ящика, біля якого він був, не було; тільки валялися зелені обпалені дошки та ганчірки на випаленій траві, і кінь, тріплячи уламками оглобель, проскакав від нього, а другий, так само як і сам П'єр, лежав на землі і пронизливо вищчав.
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?
Вона полягала у тому, що адрони є складовими частинками. Існування в нуклонах трьох точкових зарядів підтвердилося експериментом, в якому вивчалося розсіювання електронів з енергією 20 ГеВ на протонах та нейтронах.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
Адрони – загальна назва для частинок, 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 мають баріон лямбда і сімейство баріонів сигма (). Індекси +, - та 0 вказують на знак електричного заряду або нейтральність частинки. Двома одиницями дивацтва мають баріони іон ( і ). Баріон має дивність, рівну трьом. Маси перерахованих баріонів приблизно в півтора рази більші за масу протона, а їх характерний час життя становить близько 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 та . Їх маси приблизно 6-7 разів менше маси протона. Найбільш масивні дивні мезони - каони і їх маси майже вдвічі менше маси протона. Характерний час життя цих мезонів – с.
Майже всі адрони мають античастинки. Так, баріон сигма-мінус має античастинку антисигма-плюс, яка відмінна від . 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 же час нейтральний каон має античастинку. Ці факти отримують пояснення у кварковій моделі адронів (див. Кварки).
Світ адронів величезний – він включає понад 350 частинок. Більшість їх дуже нестабільні: вони розпадаються більш легкі адрони під час порядку . Це характерний час сильних взаємодій; за такий короткий інтервал навіть світло встигає пройти відстань, рівну лише радіусу протона (см). Зрозуміло, що такі короткоживучі частки не можуть залишити слідів у детекторах.
Зазвичай їх народження виявляють за непрямими ознаками. Наприклад, вивчають реакцію анігіляції електронів та позитронів з подальшим народженням адронів. Змінюючи енергію зіткнення електронів і позитронів, виявляють, що з якомусь значенні енергії вихід адронів раптом різко зростає. Цей факт можна пояснити тим, що в проміжному стані народилася частка, маса якої дорівнює відповідній енергії (з точністю до множника). Ця частка миттєво розпадеться на інші адрони, і єдиним слідом її появи залишиться пік на графіку залежності ймовірності народження адронів від енергії зіткнення.
Такі короткоживучі частки називають резонансами. Більшість баріонів та мезонів – резонанси. Вони не залишають «автографів» у камерах і на фотографіях, та все ж фізикам вдається вивчати їх властивості: визначати масу, час життя, спин, парність, способи розпаду тощо.
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 всередині адронів глюонним полем (див. Сильні взаємодії). 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 . Цей аромат був названий чарівністю. Новий зачарований кварк з виявився набагато важчим за своїх "побратимів": найлегша з пси-частинок - мезон має масу 3097 МеВ, тобто в 3 рази важче за протон. Час її життя близько. Було відкрито ціле сімейство псі-мезонів з тим же кварковим складом, 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 нічого очікувати компенсуватися «античарованием» -кварка, як це відбувається у пси-мезонах. Тому такі частки отримали назву зачарованих мезонів.
