Барион

Стандартная модель в физике элементарных частиц
Элементарные частицы по стандартной модели
Фон Физика элементарных частиц Стандартная модель Квантовая теория поля Калибровочная теория Спонтанное нарушение симметрии Механизм Хиггса
Избиратели Электрослабое взаимодействие Квантовая хромодинамика Матрица СКМ Стандартная модель Математика
Ограничения Сильная проблема CP. Проблема иерархии. Осцилляции нейтрино. Физика за пределами стандартной модели.
Ученые Резерфорд  · Томсон  · Чадвик  · Боз  · Сударшан  · Кошиба  · Дэвис-младший  · Андерсон  · Ферми  · Дирак  · Фейнман  · Руббиа  · Гелл-Манн  · Кендалл  · Тейлор  · Фридман  · Пауэлл  · П.У. Андерсон  · Глэшоу  · Илиопулос  · Майани  · Меер  · Коуэн  · Намбу  · Чемберлен  · Кабиббо  · Шварц  · Перл  · Майорана  · Вайнберг  · Ли  · Уорд  · Салам  · Кобаяши  · Маскава  · Ян  · Юкава  · 'т Хофт  · Вельтман  · Гросс  · Политцер  · Вильчек  · Кронин  · Фитч  · Флек  · Хиггс  · Энглерт  · Броут  · Хаген  · Гуральник  · Киббл  · Тинг  · Рихтер
v т е

В физике элементарных частиц , А барион представляет собой тип составных субатомных частиц , который содержит нечетное число валентных кварков ( по крайней мере , 3). ^[1] Барионы принадлежат к семейству адронных частиц ; адроны состоят из кварков . Барионы также классифицируются как фермионы, потому что они имеют полуцелый спин .

Название «барионна», введенная Abraham Pais , ^[2] происходит от греческого слова для «тяжелого» (βαρύς, Барысы ), потому что, в то время их наименования, наиболее известные элементарные частицы имели меньшие массы , чем барионы. Каждому бариону соответствует античастица (антибарион), в которой соответствующие антикварки заменяют кварки. Например, протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего кварка ; и соответствующая ей античастица, антипротон , состоит из двух верхних антикварков и одного нижнего антикварка.

Поскольку они состоят из кварков, барионы участвуют в сильном взаимодействии , которое осуществляется частицами, известными как глюоны . Наиболее известные барионы - это протоны и нейтроны , оба из которых содержат по три кварка, и по этой причине их иногда называют трикварками . Эти частицы составляют большую часть 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 сильного взаимодействия.) Экзотические барионы, содержащие пять кварков, называемые пентакварками , также были открыты и изучены.

Перепись барионов Вселенной показывает , что 10% из них могли быть найдены внутри галактик, от 50 до 60% в circumgalactic среде , ^[3] , а остальные 30 до 40% может быть расположен в теплой-горячей межгалактической среды (КАПРИЗ) . ^[4]

Фон [ править ]

Барионы - это сильно взаимодействующие фермионы ; то есть на них действует сильное ядерное взаимодействие, и они описываются статистикой Ферми-Дирака , которая применяется ко всем частицам, подчиняющимся принципу исключения Паули . В этом отличие от бозонов , которые не подчиняются принципу исключения.

Барионы, наряду с мезонами , являются адронами , частицами, состоящими из кварков . Кварки имеют число барионов из B  = 1/3а антикварки имеют барионные числа B  = -1/3. Термин «барионы» обычно относятся к triquarks -baryons из трех кварков ( B  = 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1).

Были предложены 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 г. ^[7], а в 2008 г. сочло очевидным, что подавляющим большинством противоречит существование упомянутых пентакварков. ^[8] Однако в июле 2015 года в эксперименте LHCb были обнаружены два резонанса, соответствующие состояниям пентакварка в Λ⁰
_б → J / ψK^-
p распад с совокупной статистической значимостью 15σ. ^{[9] [10]}

Теоретически также могут существовать гептакварки (5 кварков, 2 антикварка), неакварки (6 кварков, 3 антикварка) и т. Д.

Барионная материя [ править ]

Почти вся материя, с которой можно столкнуться или испытать в повседневной жизни, - это барионная материя , которая включает в себя атомы любого сорта и придает им свойство массы. Небарионная материя, как следует из названия, - это любой вид материи, который не состоит в основном из барионов. Это могут быть нейтрино и свободные электроны , темная материя , суперсимметричные частицы , аксионы и черные дыры .

Само существование барионов также является важной проблемой в космологии, потому что предполагается, что Большой взрыв создал состояние с равным количеством барионов и антибарионов. Процесс, в результате которого количество барионов превышает количество своих античастиц , называется бариогенезом .

Бариогенез [ править ]

Эксперименты согласуются с тем, что количество кварков во Вселенной является постоянной величиной, а, если быть более конкретным, количество барионов является постоянной величиной (если антивещество считается отрицательным); ^{[ цитата необходима ]} техническим языком, полное барионное число , по-видимому, сохраняется . В рамках преобладающей Стандартной модели физики элементарных частиц число барионов может изменяться кратно трем из-за действия сфалеронов , хотя это бывает редко и не наблюдалось в эксперименте. Некоторые теории великого объединения физики элементарных частиц также предсказывают, что отдельный протонможет распадаться, изменяя барионное число на единицу; однако в эксперименте этого еще не наблюдалось. Считается, что избыток барионов над антибарионами в нынешней Вселенной происходит из-за несохранения барионного числа в очень ранней Вселенной, хотя это не совсем понятно.

Свойства [ править ]

Изоспин и заряд [ править ]

Концепция изоспина была впервые предложена Вернером Гейзенбергом в 1932 году для объяснения сходства между протонами и нейтронами при сильном взаимодействии . ^[11] Хотя у них были разные электрические заряды, их массы были настолько похожи, что физики полагали, что это одна и та же частица. Различные электрические заряды были объяснены как результат какого-то неизвестного возбуждения, подобного спину. Позже это неизвестно возбуждение называли изоспиновая по Юджин Вигнер в 1937 г. ^[12]

Эта вера сохранялась до тех пор, пока Мюррей Гелл-Манн не предложил кварковую модель в 1964 году (первоначально содержащую только кварки u, d и s). ^[13] Успех изоспиновой модели теперь понимается как результат схожих масс u- и d-кварков. Поскольку u- и d-кварки имеют схожие массы, частицы с одинаковым числом также имеют схожие массы. Точный конкретный состав u- и d-кварков определяет заряд, поскольку u-кварки несут заряд +2/3 а d-кварки несут заряд -1/3. Например, все четыре Дельты имеют разные заряды (
Δ⁺⁺
(ууу),
Δ⁺
(уд),
Δ⁰
(удд),
Δ^-
(ddd)), но имеют схожие массы (~ 1,232 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 после математики спина. Проекции изоспина изменялись с шагом 1, как и проекции спина, и с каждой проекцией было связано « заряженное состояние ». Поскольку " Дельта-частица " имела четыре "заряженных состояния", было сказано, что она имеет изоспин I  = 3/2. Его «заряженные состояния»
Δ⁺⁺
,
Δ⁺
,
Δ⁰
, и
Δ^-
, соответствовали проекциям изоспина I ₃  = +3/2, I ₃  = +1/2, I ₃  = -1/2, а I ₃  = -3/2, соответственно. Другой пример - «нуклонная частица». Поскольку было два «заряженных состояния» нуклона, он был назван изоспиновым.1/2. Положительный нуклон
N⁺
(протон) отождествлялся с I ₃  = +1/2 и нейтральный нуклон
N⁰
(нейтрон) с I ₃  = -1/2. ^[14] Позже было отмечено, что проекции изоспина были связаны с верхним и нижним кварковым содержанием частиц соотношением:

${\ displaystyle I _ {\ mathrm {3}} = {\ frac {1} {2}} [(n _ {\ mathrm {u}} -n _ {\ mathrm {\ bar {u}}}) - (n_ { \ mathrm {d}} -n _ {\ mathrm {\ bar {d}}})],}$

где n - количество верхних и нижних кварков и антикварков.

В «изоспиновой картине» четыре дельты и два нуклона считались разными состояниями двух частиц. Однако в кварковой модели Дельты - это разные состояния нуклонов (N ⁺⁺ или N ^- запрещены принципом исключения Паули ). Изоспин, хотя и передает неточную картину вещей, по-прежнему используется для классификации барионов, что приводит к неестественной и часто сбивающей с толку номенклатуре.

Квантовые числа вкуса [ править ]

Было замечено, что квантовое число аромата странности S (не путать со спином) увеличивается и уменьшается вместе с массой частицы. Чем больше масса, тем меньше странность (тем больше s-кварков). Частицы могут быть описаны с помощью проекций изоспина (связанных с зарядом) и странности (массы) (см. Октет uds и декуплет цифры справа). Когда были открыты другие кварки, были созданы новые квантовые числа с аналогичным описанием октетов и декуплетов udc и udb. Поскольку сходны только массы u и d, это описание массы и заряда частицы в терминах изоспина и квантовых чисел аромата хорошо работает только для октета и декуплета, состоящих из одного кварка u, одного d и еще одного кварка, и не соответствует другие октеты и декуплеты (например, октет и декуплет ucb). Если бы все кварки имели одинаковую массу, их поведение можно было бы назвать симметричным., так как все они будут вести себя одинаково при сильном взаимодействии. Поскольку кварки не имеют одинаковой массы, они не взаимодействуют одинаково (точно так же, как электрон, помещенный в электрическое поле, будет ускоряться больше, чем протон, помещенный в то же поле, из-за своей более легкой массы), и говорится о симметрии быть сломанным .

Было отмечено, что заряд ( Q ) связан с проекцией изоспина ( I ₃ ), барионным числом ( B ) и ароматическими квантовыми числами ( S , C , B ', T ) формулой Гелл-Манна – Нисиджимы : ^{[14 ]}

${\ displaystyle Q = I_ {3} + {\ frac {1} {2}} \ left (B + S + C + B ^ {\ prime} + T \ right),}$

где S , C , B 'и T представляют собой квантовые числа аромата странности , очарования , низости и верхности соответственно. Они связаны с числом странных, очаровательных, нижних и верхних кварков и антикварков соотношениями:

${\displaystyle {\begin{aligned}S&=-\left(n_{\mathrm {s} }-n_{\mathrm {\bar {s}} }\right),\\C&=+\left(n_{\mathrm {c} }-n_{\mathrm {\bar {c}} }\right),\\B^{\prime }&=-\left(n_{\mathrm {b} }-n_{\mathrm {\bar {b}} }\right),\\T&=+\left(n_{\mathrm {t} }-n_{\mathrm {\bar {t}} }\right),\end{aligned}}}$

Это означает, что формула Гелл-Манна-Нисидзима эквивалентна выражению заряда через кварковое содержание:

${\displaystyle Q={\frac {2}{3}}\left[(n_{\mathrm {u} }-n_{\mathrm {\bar {u}} })+(n_{\mathrm {c} }-n_{\mathrm {\bar {c}} })+(n_{\mathrm {t} }-n_{\mathrm {\bar {t}} })\right]-{\frac {1}{3}}\left[(n_{\mathrm {d} }-n_{\mathrm {\bar {d}} })+(n_{\mathrm {s} }-n_{\mathrm {\bar {s}} })+(n_{\mathrm {b} }-n_{\mathrm {\bar {b}} })\right].}$

Спин, орбитальный угловой момент и полный угловой момент [ править ]

Спин (квантовое число S ) - это векторная величина, которая представляет «собственный» угловой момент частицы. Он идет с шагом1/2 ħ (произносится как «ч-бар»). Часто опускается, потому что это «основная» единица вращения, и подразумевается, что «спин 1» означает «спин 1». В некоторых системах натуральных единиц выбрано равным 1 и поэтому нигде не появляется.

Кварки - это фермионные частицы со спином.1/2( S  = 1/2). Поскольку проекции спина изменяются с шагом 1 (то есть 1), отдельный кварк имеет вектор спина длины1/2, и имеет две проекции спина ( S _z  = +1/2и S _z  = -1/2). Спины двух кварков могут быть выровнены, и в этом случае два вектора спина складываются, чтобы получить 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 спинов складываются, образуя вектор длины S  = 0 и имеющий только одну проекцию спина ( S _z  = 0) и т. Д. составить вектор длины S  = 3/2, имеющий четыре проекции спина ( S _z  = +3/2, S _z  = +1/2, S _z  = -1/2, а S _z  = -3/2), либо вектор длины S  = 1/2с двумя проекциями спина ( S _z  = +1/2, а S _z  = -1/2). ^[15]

Есть еще одна величина углового момента, называемая орбитальным угловым моментом ( азимутальное квантовое число L ), которое прибавляется с шагом 1 ħ, что представляет собой угловой момент из-за кварков, вращающихся вокруг друг друга. Таким образом, полный угловой момент ( квантовое число J полного углового момента ) частицы представляет собой комбинацию собственного углового момента (спина) и орбитального углового момента. Может принимать любое значение из J = | L - S | к J = | L + S | , с шагом 1.

Физиков элементарных частиц больше всего интересуют барионы без орбитального углового момента ( L  = 0), поскольку они соответствуют основным состояниям - состояниям с минимальной энергией. Следовательно, две наиболее изученные группы барионов - 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  = 1/2и L  = 2, а также S  = 3/2и L  = 2. Это явление наличия нескольких частиц в одной и той же конфигурации полного углового момента называется вырождением . Как отличить эти вырожденные барионы - активная область исследований в барионной спектроскопии . ^{[16] [17]}

Четность [ править ]

Если бы Вселенная была отражена в зеркале, большинство законов физики были бы идентичны - вещи вели бы себя одинаково независимо от того, что мы называем «левым» и тем, что мы называем «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, таким образом, считается, что сохраняется четность (P-симметрия). Однако слабое взаимодействие действительно отличает «левое» от «правого», явление, называемое нарушением четности (P-нарушение).

Исходя из этого, если бы волновая функция для каждой частицы (точнее говоря, квантовое поле для каждого типа частиц) одновременно зеркально перевернулась, то новый набор волновых функций полностью удовлетворял бы законам физики (кроме слабого взаимодействия) . Оказывается, это не совсем так: для выполнения уравнений волновые функции определенных типов частиц должны быть умножены на -1, помимо зеркального обращения. Говорят, что такие типы частиц имеют отрицательную или нечетную четность ( P  = -1 или, альтернативно, P  = -), в то время как другие частицы говорят, что они имеют положительную или четную четность ( P  = +1 или, альтернативно, P  = +).

Для барионов четность связана с орбитальным угловым моментом соотношением ^[18]

${\displaystyle P=(-1)^{L}.\ }$

Как следствие, все барионы без орбитального углового момента ( L  = 0) имеют четность ( P  = +).

Номенклатура [ править ]

Барионы классифицируются на группы в соответствии с их значениями изоспина ( I ) и содержанием кварков ( q ). Всего существует шесть групп барионов: нуклон (
N
), Дельта (
Δ
), Лямбда (
Λ
), Сигма (
Σ
), Xi (
Ξ
) и Омега (
Ω
). Правила классификации определяются Группой данных о частицах . Эти правила учитывают до (
ты
), вниз (
d
) и странный (
s
) кварки должны быть легкими и очаровательными (
c
), снизу (
б
), а сверху (
т
) кварки должны быть тяжелыми . Правила охватывают все частицы, которые могут быть образованы из трех кварков каждого из шести, даже несмотря на то, что барионы, состоящие из топ-кварков, не могут существовать из- за короткого времени жизни топ-кварка . Правила не распространяются на пентакварки. ^[19]

• Барионы с (любой комбинацией) тремя ты и / или d кварки Ns ( I =1/2) или же Δбарионы ( I =3/2).
• Барионы, содержащие два ты и / или d кварки Λбарионы ( I = 0) илиΣбарионы ( I = 1). Если третий кварк тяжелый, его идентичность указывается нижним индексом.
• Барионы, содержащие один ты или же d кварк Ξбарионы ( I =1/2). Один или два нижних индекса используются, если один или оба оставшихся кварка тяжелые.
• Барионы, не содержащие ты или же d кварки Ωбарионы ( I = 0), а нижние индексы указывают на любое содержание тяжелых кварков.
• Массы сильно распадающихся барионов являются частью их имен. Например, Σ ⁰ не сильно распадается, а Δ ⁺⁺ (1232) - распадается .

Также широко распространена (но не универсальная) практика следовать некоторым дополнительным правилам при различении некоторых состояний, которые в противном случае имели бы один и тот же символ. ^[14]

• Барионы в полном угловом моменте J  = 3/2конфигурации, которые имеют те же символы, что и их J  = 1/2 аналоги отмечены звездочкой (*).
• Два бариона могут состоять из трех разных кварков в J  = 1/2конфигурация. В этом случае для их различения используется штрих (').
  • Исключение : когда два из трех кварков представляют собой один верхний и один нижний кварк, один барион обозначается как Λ, а другой - Σ.

Кварки несут заряд, поэтому знание заряда частицы косвенно дает определение кваркового содержания. Например, в приведенных выше правилах говорится, что
Λ⁺
_cсодержит ac-кварк и некоторую комбинацию двух u- и / или d-кварков. C-кварк имеет заряд ( Q  = +2/3), поэтому два других должны быть ау-кварком ( Q  = +2/3) и ad quark ( Q  = -1/3), чтобы иметь правильный общий заряд ( Q  = +1).

См. Также [ править ]

• Восьмеричный путь
• Список барионов
• Мезон
• Хронология открытий частиц

Примечания [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Группа данных по частицам - Обзор физики элементарных частиц (2018).
• Государственный университет Джорджии - HyperPhysics
• Интерактивная визуализация барионов , позволяющая сравнивать физические свойства