Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Как адроны сочетаются с двумя другими классами субатомных частиц , бозонами и фермионами

В физике элементарных частиц , А адронный / ч æ д т ɒ п / ( слушать )Об этом звуке ( греческий : ἁδρός , Hadros; «крепкий, толстая») представляет собой субатомная композитная частица состоит из двух или более кварков удерживаются вместе с помощью сильной силы в аналогично тому, как молекулы удерживаются вместе электромагнитной силой . Большая часть массы обычного вещества происходит от двух адронов: протона и нейтрона .

Адроны делятся на два семейства: барионы , состоящие из нечетного числа кварков - обычно трех кварков - и мезоны , состоящие из четного числа кварков - обычно одного кварка и одного антикварка . [1] Протоны и нейтроны (составляющие большую часть массы атома ) являются примерами барионов; пионы являются примером мезона. В последние годы были открыты «экзотические» адроны , содержащие более трех валентных кварков. Состояние тетракварка ( экзотический мезон ), названное Z (4430) -, была открыта в 2007 году коллаборацией Belle [2] и подтверждена как резонанс в 2014 году коллаборацией LHCb . [3] Два состояния пентакварка ( экзотические барионы ), названные P+
c(4380) и P+
c(4450) , были открыты в 2015 году коллаборацией LHCb . [4] Есть несколько более экзотических кандидатов в адроны и другие комбинации цветных синглетных кварков, которые также могут существовать.

Считается, что почти все «свободные» адроны и антиадроны (то есть изолированные и не связанные внутри атомного ядра ) нестабильны и в конечном итоге распадаются (распадаются) на другие частицы. Единственное известное исключение относится к свободным протонам, которые, возможно, стабильны или, по крайней мере, требуют огромного времени для распада (порядка 10 34+ лет). Свободные нейтроны нестабильны и распадаются с периодом полураспада около 611 секунд. Их соответствующие античастицыожидается, что они будут следовать той же схеме, но их трудно уловить и изучить, потому что они немедленно аннигилируют при контакте с обычной материей. «Связанные» протоны и нейтроны, содержащиеся в атомном ядре , обычно считаются стабильными. Экспериментально адронная физика изучается путем столкновения протонов или ядер тяжелых элементов, таких как свинец или золото, и обнаружения обломков в потоках образовавшихся частиц. В естественной среде мезоны, такие как пионы , образуются при столкновении космических лучей с атмосферой.

Этимология [ править ]

Термин «адрон» был введен Львом Б. Окуном в пленарном докладе на Международной конференции по физике высоких энергий 1962 года . [5] В этом разговоре он сказал:

Несмотря на то, что в этом отчете речь идет о слабых взаимодействиях, нам часто придется говорить о сильно взаимодействующих частицах. Эти частицы создают не только многочисленные научные проблемы, но и терминологическую проблему. Дело в том, что «сильно взаимодействующие частицы» - очень неуклюжий термин, который не поддается образованию прилагательного. По этой причине, например, распад на сильно взаимодействующие частицы называется нелептонным . Это определение неточно, потому что «нелептонный» может также означать «фотонный». В этом отчете я буду называть сильно взаимодействующие частицы «адронами», а соответствующие распады «адронными» (греческое ἁδρός означает «большой», «массивный»,в отличие от λεπτόςчто означает «маленький», «легкий»). Надеюсь, эта терминология окажется удобной.

Свойства [ править ]

Все типы адронов имеют нулевой общий цветной заряд (показаны три примера)

Согласно модели кварков , [6] свойства адронов в первую очередь определяются их так называемых валентных кварков . Например, протон состоит из двух до кварков (каждый с электрическим зарядом + 2 / 3 , в общей сложности + 4 / 3 вместе) и один вниз кварк (с электрическим зарядом - 1 / 3 ). Их сложение дает заряд протона +1. Хотя кварки также несут цветной заряд , адроны должны иметь нулевой общий цветной заряд из-за явления, называемого ограничением цвета.. То есть адроны должны быть «бесцветными» или «белыми». Проще всего это сделать с кварком одного цвета и антикварком соответствующего антицвета или с тремя кварками разных цветов. Адроны с первым расположением представляют собой тип мезонов , а адроны со вторым расположением - типом барионов .

Безмассовые виртуальные глюоны составляют подавляющее большинство частиц внутри адронов. Сила сильных силовых глюонов , которые связывают кварки вместе имеет достаточную энергию ( Е ) , чтобы иметь резонансы , состоящие из массивного ( м ) -кварки ( Е> тс 2 ). Одним из результатов является то, что недолговечные пары виртуальныхкварки и антикварки постоянно образуются и снова исчезают внутри адрона. Поскольку виртуальные кварки не являются стабильными волновыми пакетами (квантами), а представляют собой нерегулярное и временное явление, не имеет смысла спрашивать, какой кварк реальный, а какой виртуальный; только небольшой избыток виден снаружи в виде адрона. Следовательно, когда утверждается, что адрон или антиадрон состоит (обычно) из 2 или 3 кварков, это технически относится к постоянному избытку кварков по сравнению с антикварками.

Как и всем субатомным частицам , адронам присваиваются квантовые числа, соответствующие представлениям группы Пуанкаре : J PC ( m ), где J - квантовое число спина , P - внутренняя четность (или P-четность ), C - зарядовое сопряжение (или C-четность ) и m - масса частицы . Обратите внимание, что масса адрона очень мало связана с массой его валентных кварков; скорее, из -за эквивалентности массы и энергии, большая часть массы происходит из большого количества энергии, связанной с сильным взаимодействием . Адроны также могут иметь ароматические квантовые числа, такие как изоспин ( G-четность ) и странность . Все кварки несут добавку, сохраняющееся квантовое число называется число барионный ( B ), который является + 1 / 3 для кварков и - 1 / 3 для антикварков. Это означает, что барионы (составные частицы, состоящие из трех, пяти или большего нечетного числа кварков) имеют B  = 1, тогда как мезоны имеют B  = 0.

Адроны имеют возбужденные состояния, известные как резонансы . Каждый адрон в основном состоянии может иметь несколько возбужденных состояний; в экспериментах было обнаружено несколько сотен резонансов. Резонансы затухают чрезвычайно быстро (примерно за 10 -24 секунды ) из-за сильного ядерного взаимодействия.

В других фазах от материи адроны могут исчезнуть. Например, при очень высокой температуре и высоком давлении, если не существует достаточно большого количества разновидностей кварков, теория квантовой хромодинамики (КХД) предсказывает, что кварки и глюоны больше не будут заключаться в адронах, «потому что сила сильного взаимодействия уменьшается. с энергией ». Это свойство, известное как асимптотическая свобода , было экспериментально подтверждено в диапазоне энергий от 1 ГэВ (гигаэлектронвольт) до 1 ТэВ (тераэлектронвольт). [7]

Все свободные адроны, кроме (возможно) протона и антипротона , нестабильны .

Барионы [ править ]

Основные статьи: Барион и экзотический барион

Барионы - это адроны, содержащие нечетное количество валентных кварков (не менее 3). [1] Наиболее известные барионы, такие как протон и нейтрон, имеют три валентных кварка, но также было доказано, что существуют пентакварки с пятью кварками - три кварка разного цвета, а также одна дополнительная пара кварк-антикварк. Поскольку барионы имеют нечетное число кварков, все они также являются фермионами , т. Е. Имеют полуцелый спин . В кварки обладают барионного числа B  = 1 / 3 , барионы барионного числа B  = 1. пентакварки такжеимеют B  = 1, поскольку барионные числа лишних кварков и антикварков сокращаются.

Каждому типу барионов соответствует своя античастица (антибарион), в которой кварки заменены соответствующими им антикварками. Например, подобно тому, как протон состоит из двух ап-кварков и одного нижнего кварка, соответствующая ему античастица, антипротон, состоит из двух верхних антикварков и одного нижнего антикварка.

По состоянию на август 2015 года известно два пентакварка P+
c(4380) и P+
c(4450) , оба открыты в 2015 году коллаборацией LHCb . [4]

Мезоны [ править ]

Основные статьи: Мезон и Экзотический мезон

Мезоны - это адроны, содержащие четное число валентных кварков (не менее 2). [1] Наиболее известные мезоны состоят из пары кварк-антикварк, но возможные тетракварки (4 кварка) и гексакварки (6 кварков, состоящие либо из дибариона, либо из трех кварк-антикварковых пар), возможно, были обнаружены и исследуются для подтверждения их природа. [8] Могут существовать несколько других гипотетических типов экзотических мезонов, которые не подпадают под кварковую модель классификации. К ним относятся глюболы и гибридные мезоны (мезоны, связанные возбужденными глюонами ).

Поскольку мезоны имеют четное число кварков, все они также являются бозонами с целым спином , т. Е. 0, 1 или -1. Они имеют барионное число B  = 1 / 3 - 1 / 3  = 0. Примеры мезонов , обычно производимых в экспериментах по физике элементарных частиц включают пиона и каоны . Пионы также играют роль в удерживании ядер атомов вместе за счет остаточной сильной силы .

См. Также [ править ]

  • Экзотический адрон
  • Адронная терапия, также известная как терапия частицами
  • Адронизация , образование адронов из кварков и глюонов.
  • Большой адронный коллайдер (LHC)
  • Список частиц
  • Стандартная модель
  • Субатомные частицы

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Гелл-Манн, М. (1964). «Схематическая модель барионов и мезонов». Письма по физике . 8 (3): 214–215. Bibcode : 1964PhL ..... 8..214G . DOI : 10.1016 / S0031-9163 (64) 92001-3 .
  2. ^ Choi, S.-K .; Belle Collaboration ; и другие. (2008). «Наблюдение резонансной структуры в
    π±
    Ψ ′ массовое распределение в исключительном B → K
    π±
    Распады ф '». Physical Review Letters . 100 (14): 142001. Arxiv : 0708,1790 . Bibcode : 2008PhRvL.100n2001C . Дои : 10,1103 / PhysRevLett.100.142001 . PMID  18518023 . S2CID  119138620 .
  3. ^ Aaij, R .; и другие. ( Коллаборация LHCb ) (2014). «Наблюдение резонансного характера Z (4430) - состояния». Письма с физическим обзором . 112 (22): 222002. arXiv : 1404.1903 . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.112.222002 . PMID 24949760 . S2CID 904429 .  
  4. ^ а б Р. Аайдж; и другие. ( Коллаборация LHCb ) (2015). "Наблюдение резонансов J / ψp, согласующихся с состояниями пентакварка в Λ0
    б    → Дж / фк - стр . Распадах» Physical Review Letters . 115 (7): 072001. Arxiv : +1507,03414 . Bibcode : 2015PhRvL.115g2001A . DOI : 10,1103 / PhysRevLett.115.072001 . PMID  26317714 . S2CID  119204136 .
  5. ↑ Лев Б. Окун (1962). «Теория слабого взаимодействия». Материалы Международной конференции 1962 года по физике высоких энергий в ЦЕРНе . Женева. п. 845. Bibcode : 1962hep..conf..845O .
  6. ^ C. Amsler et al. ( Группа данных по частицам ) (2008). "Обзор физики элементарных частиц - модель кварка" (PDF) . Физика Письма Б . 667 (1): 1–6. Bibcode : 2008PhLB..667 .... 1A . DOI : 10.1016 / j.physletb.2008.07.018 .
  7. ^ С. Бетке (2007). «Экспериментальные тесты асимптотической свободы». Прогресс в физике элементарных частиц и ядерной физике . 58 (2): 351–386. arXiv : hep-ex / 0606035 . Bibcode : 2007PrPNP..58..351B . DOI : 10.1016 / j.ppnp.2006.06.001 . S2CID 14915298 . 
  8. ^ Таинственная субатомная частица может представлять новую экзотическую форму материи

Внешние ссылки [ править ]

  • Словарь определения адрона в Викисловаре