Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Electron.svgMuon.svgТау lepton.svg
Электронное нейтрино.svgМюонное нейтрино.svgТау нейтрино.svg
Шесть вкусов лептонов
Вкус в физике элементарных частиц
Квантовые числа вкуса
Связанные квантовые числа
Комбинации
Смешивание вкусов

В физике элементарных частиц , вкус или аромат относится к видам в качестве элементарной частицы . Стандартная модель насчитывает шесть ароматов кварков и шесть вкусов лептонов . Они обычно параметризуются квантовыми числами аромата , которые присваиваются всем субатомным частицам . Их также можно описать некоторыми из симметрий семейств, предложенных для кварк-лептонных поколений.

Квантовые числа [ править ]

В классической механике сила, действующая на точечную частицу, может изменять только динамическое состояние частицы , то есть ее импульс , угловой момент и т. Д. Однако квантовая теория поля допускает взаимодействия, которые могут изменять другие аспекты природы частицы. описывается нединамическими дискретными квантовыми числами. В частности, действие слабого взаимодействия таково, что оно позволяет преобразовывать квантовые числа, описывающие массу и электрический заряд кварков и лептонов, из одного дискретного типа в другой. Это известно как изменение вкуса или трансмутация вкуса. В силу своего квантового описания состояния ароматаможет также претерпевать квантовую суперпозицию .

В атомной физике главное квантовое число электрона определяет электронную оболочку, в которой он находится, что определяет уровень энергии всего атома. Аналогично, пять квантовых чисел аромата (изоспин, странность , очарование, нижность или вершина) могут характеризовать квантовое состояние кварков по степени, в которой оно проявляет шесть различных ароматов (u, d, s, c, b, t).

Составные частицы могут быть созданы из нескольких кварков, образующих адроны , такие как мезоны и барионы , каждый из которых обладает уникальными совокупными характеристиками, такими как разные массы, электрические заряды и моды распада. Адронный «S общие аромат квантовых числа зависят от числа составляющих кварков каждого конкретного аромата.

Законы сохранения [ править ]

Все различные заряды, обсужденные выше, сохраняются благодаря тому факту, что соответствующие операторы заряда можно понимать как генераторы симметрий , коммутирующих с гамильтонианом. Таким образом, собственные значения различных операторов заряда сохраняются.

Абсолютно сохраненные квантовые числа аромата в Стандартной модели :

  • электрический заряд ( Q )
  • слабый изоспин ( Т 3 )
  • барионное число ( B )
  • лептонное число ( L )

В некоторых теориях, таких как теория великого объединения , сохранение индивидуальных барионов и лептонных чисел может быть нарушено, если сохраняется разница между ними ( B - L ) (см. Киральную аномалию ).

Сильные взаимодействия сохраняют все ароматы, но все квантовые числа ароматов (кроме B и L ) нарушаются (изменяются, не сохраняются) электрослабыми взаимодействиями .

Симметрия вкуса [ править ]

Если есть две или более частицы, которые взаимодействуют одинаково, то их можно менять местами, не влияя на физику. Любая (сложная) линейная комбинация этих двух частиц дает одну и ту же физику, пока комбинации ортогональны или перпендикулярны друг другу.

Другими словами, теория обладает преобразованиями симметрии, такими как , где u и d - два поля (представляющие различные поколения лептонов и кварков, см. Ниже), а M - любая унитарная матрица 2 × 2 с единичным определителем . Такие матрицы образуют группу Ли, называемую SU (2) (см. Специальную унитарную группу ). Это пример симметрии аромата.

В квантовой хромодинамике аромат - это сохраняющаяся глобальная симметрия . С другой стороны, в электрослабой теории эта симметрия нарушена, и существуют процессы изменения аромата, такие как распад кварка или осцилляции нейтрино .

Квантовые числа вкуса [ править ]

Лептоны [ править ]

Все лептоны несут лептонное число L = 1 . Кроме того, лептоны несут слабый изоспин , Т 3 , который является -1/2для трех заряженных лептонов (т.е. электрон , мюон и тау ) и +1/2для трех связанных нейтрино . Говорят, что каждый дублет заряженного лептона и нейтрино, состоящий из противоположных Т 3 , составляет одно поколение лептонов. Кроме того, определяется квантовое число, называемое слабым гиперзарядом , Y W , которое равно -1 для всех левосторонних лептонов. [1] Слабый изоспин и слабый гиперзаряд оцениваются в Стандартной модели .

Лептонам можно присвоить шесть ароматов квантовых чисел: число электронов, число мюонов, число тау и соответствующие числа для нейтрино. Они сохраняются при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушаются при слабых взаимодействиях. Следовательно, такие квантовые числа аромата не очень полезны. Отдельное квантовое число для каждого поколения более полезно: электронное лептонное число (+1 для электронов и электронных нейтрино), мюонное лептонное число (+1 для мюонов и мюонных нейтрино) и тауонное лептонное число (+1 для тау-лептонов и тау-нейтрино. ). Однако даже эти числа не сохраняются абсолютно, поскольку нейтрино разных поколений могут смешиваться ; то есть нейтрино одного аромата может превратиться в другой аромат. Сила такого смешения определяется матрицей, называемой матрицей Понтекорво – Маки – Накагавы – Сакаты (матрица PMNS).

Кварки [ править ]

Все кварки имеют барионное число B = + +1/3, и все антикварки имеют B = - +1/3. Кроме того, они все несут слабый изоспиновой , Т 3 = ± +1/2. Положительно заряженные кварки (up, charm и top-кварки) называются кварками up-типа и имеют T 3 = + +1/2 ; отрицательно заряженные кварки (нижний, странный и нижний кварки) называются кварками нижнего типа и имеют T 3 = -+1/2. Каждый дублет кварков типа вверх и вниз составляет одно поколение кварков.

Для всех перечисленных ниже квантовых чисел аромата кварка принято, что ароматный заряд и электрический заряд кварка имеют один и тот же знак . Таким образом, любой аромат, переносимый заряженным мезоном, имеет тот же знак, что и его заряд. Кварки имеют следующие ароматические квантовые числа:

  • Третий компонент изоспина (обычно просто «изоспин») ( I 3 ), который имеет значение I 3 = 1/2 для верхнего кварка и I 3 = - 1/2 для нижнего кварка.
  • Странность ( S ): определяется как S = - n s + n s̅ , где n s представляет количество странных кварков (
    s
    ), а n s̅ представляет собой количество странных антикварков (
    s
    ). Это квантовое число ввел Мюррей Гелл-Манн . Это определение придает странному кварку странность -1 по указанной выше причине.
  • Очарование ( C ): определяется как C = n c - n c̅ , где n c представляет количество очаровательных кварков (
    c
    ), а n c̅ представляет собой количество очаровательных антикварков. Ценность очаровательного кварка +1.
  • Нижняя (или красота ) ( B ′ ): определяется как B ′ = - n b + n b̅ , где n b представляет количество нижних кварков (
    б
    ), а n b̅ представляет собой количество нижних антикварков.
  • Вершина (или истина ) ( T ): определяется как T = n t - n t̅ , где n t представляет количество топ-кварков (
    т
    ), а n t̅ представляет собой количество топ-антикварков. Однако из-за чрезвычайно короткого периода полураспада топ-кварка (прогнозируемое время жизни всего5 × 10 −25  с ), к тому времени, когда он сможет сильно взаимодействовать, он уже распадется на другой аромат кварка (обычно на нижний кварк ). По этой причине верхний кварк не адронизируется , то есть никогда не образует мезон или барион .

Эти пять квантовых чисел вместе с барионным числом (которое не является квантовым числом аромата) полностью определяют числа всех 6 ароматов кварков по отдельности (как n q - n q̅ , т.е. антикварк считается со знаком минус). Они сохраняются как электромагнитным, так и сильным взаимодействиями (но не слабым взаимодействием). Из них можно построить производные квантовые числа:

  • Гиперзаряд ( Y ): Y = B + S + C + B ′ + T
  • Электрический заряд ( Q ): Q = I 3 + 1/2Y (см.Формулу Гелл-Манна – Нисиджимы)

Термины «странный» и «странность» предшествовали открытию кварка, но продолжали использоваться после его открытия ради преемственности (т. Е. Странность каждого типа адронов оставалась неизменной); странность того, что античастицы обозначаются как +1, а частицы - как −1 в соответствии с исходным определением. Странность была введена для объяснения скорости распада недавно открытых частиц, таких как каон, и использовалась в восьмеричной классификации адронов и в последующих кварковых моделях . Эти квантовые числа сохраняются при сильных и электромагнитных взаимодействиях , но не при слабых взаимодействиях .

Для слабых распадов первого порядка, то есть процессов с участием только одного распада кварка, эти квантовые числа (например, очарование) могут изменяться только на 1, то есть для распада с участием очарованного кварка или антикварка либо в качестве налетающей частицы, либо в виде распада. побочный продукт, Δ C = ± 1  ; аналогично для распада с участием нижнего кварка или антикварка Δ B ′ = ± 1 . Поскольку процессы первого порядка более распространены, чем процессы второго порядка (с участием двух кварковых распадов), это можно использовать в качестве приблизительного « правила отбора » для слабых распадов.

Специальная смесь ароматов кварков является собственным состоянием из слабого взаимодействия части гамильтониана , так что будет взаимодействовать особенно простым способом с W - бозонов (заряженные слабые взаимодействия нарушают вкус). С другой стороны, фермион фиксированной массы (собственное состояние кинетической и сильной взаимодействующих частей гамильтониана) является собственным состоянием аромата. Преобразование прежнего базиса в базис собственное состояние аромата / собственное состояние массы для кварков лежит в основе матрицы Кабиббо – Кобаяши – Маскавы (матрицы CKM). Эта матрица аналогична матрице PMNS для нейтрино и количественно определяет изменения аромата при заряженных слабых взаимодействиях кварков.

Матрица CKM допускает нарушение CP, если существует не менее трех поколений.

Античастицы и адроны [ править ]

Квантовые числа вкуса складываются. Следовательно, античастицы имеют аромат, равный по величине частице, но противоположный по знаку. Адроны наследуют свое ароматное квантовое число от своих валентных кварков : это основа классификации в кварковой модели . Связь между гиперзарядом, электрическим зарядом и другими ароматическими квантовыми числами сохраняется как для адронов, так и для кварков.

Квантовая хромодинамика [ править ]

Симметрия аромата тесно связана с хиральной симметрией . Эту часть статьи лучше всего читать вместе со статьей о хиральности.

Квантовая хромодинамика (КХД) включает шесть разновидностей кварков . Однако их массы различаются, и, как следствие, они не являются строго взаимозаменяемыми. Верхний и нижний ароматы близки к тому, чтобы иметь равные массы, и теория этих двух кварков обладает приблизительной симметрией SU (2) ( изоспиновой симметрией).

Описание киральной симметрии [ править ]

При некоторых обстоятельствах (например, когда массы кварков намного меньше, чем масштаб нарушения киральной симметрии, равный 250 МэВ), массы кварков не вносят значимого вклада в поведение системы и могут быть проигнорированы в нулевом приближении. Затем можно успешно смоделировать упрощенное поведение ароматических преобразований, действующих независимо на левую и правую части каждого кваркового поля. Это приближенное описание симметрии аромата описывается киральной группой SU L ( N f ) × SU R ( N f ) .

Описание симметрии вектора [ править ]

Если бы все кварки имели ненулевые, но равные массы, то эта киральная симметрия нарушается до векторной симметрии «диагональной группы ароматов» SU ( N f ) , которая применяет то же преобразование к обеим спиральностям кварков. Это снижение симметрии является формой явного нарушения симметрии . Сила явного нарушения симметрии контролируется текущими массами кварков в КХД.

Даже если кварки безмассовые, киральная симметрия ароматов может быть спонтанно нарушена, если вакуум теории содержит киральный конденсат (как это происходит в низкоэнергетической КХД). Это приводит к появлению эффективной массы кварков, часто отождествляемой с массой валентного кварка в КХД.

Симметрии КХД [ править ]

Анализ экспериментов показывает, что текущие массы кварков более легких ароматов кварков намного меньше, чем масштаб КХД , Λ КХД , следовательно, киральная симметрия ароматов является хорошим приближением к КХД для верхних, нижних и странных кварков. Успех киральной теории возмущений и еще более наивных киральных моделей проистекает из этого факта. Масса валентных кварков, извлеченная из кварковой модели , намного больше, чем текущая масса кварка. Это свидетельствует о спонтанном нарушении киральной симметрии КХД с образованием кирального конденсата . Другие фазы КХД могут нарушать хиральную симметрию аромата другими способами.

История [ править ]

Некоторые исторические события, которые привели к развитию симметрии ароматов, обсуждаются в статье об изоспине , восьмеричном пути (физике) и киральной симметрии . Главным из них была ноябрьская революция (физика) 1974 года, когда был обнаружен четвертый (очаровательный) кварк.

См. Также [ править ]

  • Стандартная модель (математическая формулировка)
  • Матрица Кабиббо – Кобаяши – Маскавы
  • Сильная проблема CP и киральность (физика)
  • Нарушение киральной симметрии и кварковая материя
  • Маркировка кваркового аромата, такая как B-метка , является примером идентификации частиц в экспериментальной физике элементарных частиц.

Ссылки [ править ]

  1. ^ См. Таблицу в S. Raby, R. Slanky (1997). «Массы нейтрино: как добавить их в Стандартную модель» (PDF) . Los Alamos Science (25): 64. Архивировано из оригинального (PDF) 31 августа 2011 года.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Уроки физики элементарных частиц Луис Анкордоки и Фрэнсис Хальзен , Университет Висконсина, 18 декабря 2009 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • Группа данных о частицах.