Барион
Стандартная модель физики элементарных частиц |
---|
В физике элементарных частиц барион протон — это тип составной субатомной частицы , включающей и нейтрон , которая содержит нечетное число валентных кварков , обычно три. [1] Барионы принадлежат к семейству адронных частиц ; адроны состоят из кварков . Барионы также классифицируются как фермионы, потому что они имеют полуцелый спин .
Название «барион», введенное Авраамом Паисом , [2] происходит от греческого слова «тяжелый» (βαρύς, barýs ), потому что на момент своего названия большинство известных элементарных частиц имели меньшие массы, чем барионы. Каждому бариону соответствует античастица (антибарион), где соответствующие антикварки заменяют кварки. Например, протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка ; и соответствующая ему античастица, антипротон , состоит из двух верхних антикварков и одного нижнего антикварка.
Барионы участвуют в остаточном сильном взаимодействии , которое передается частицами, известными как мезоны . Наиболее знакомыми барионами являются протоны и нейтроны , оба из которых содержат по три кварка, и по этой причине их иногда называют трикварками . Эти частицы составляют большую часть массы видимой материи во Вселенной и составляют ядро каждого атома ( электроны , другой основной компонент атома, являются членами другого семейства частиц, называемых лептонами ; лептоны не взаимодействуют через сильная сила). экзотические барионы, содержащие пять кварков, называемые пентакварками Также были обнаружены и изучены .
Перепись барионов во Вселенной показывает, что 10% из них можно найти внутри галактик, от 50 до 60% — в окологалактической среде . [3] а остальные 30–40% могут находиться в тепло-горячей межгалактической среде (WHIM). [4]
Фон
[ редактировать ]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 , представляют собой адроны , сложные частицы, состоящие из кварков . Кварки имеют барионное число B = 1 / 3 и антикварки имеют барионное число B = − 1 / 3 . Термин «барион» обычно относится к трикваркам — барионам, состоящим из трех кварков ( B = 1 / 3 + 1 / 3 + 1 / 3 = 1).
и другие экзотические барионы Были предложены , 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 физики элементарных частиц в целом не считало их существование вероятным в 2006 году. [7] а в 2008 году счел доказательства подавляющим большинством против существования известных пентакварков. [8] Однако в июле 2015 года эксперимент LHCb обнаружил два резонанса, соответствующие состояниям пентакварка в Λ 0
б → Дж/ψK −
p-распад с совокупной статистической значимостью 15σ. [9] [10]
Теоретически могли существовать также гептакварки (5 кварков, 2 антикварка), нонакварки (6 кварков, 3 антикварка) и т. д.
Барионная материя
[ редактировать ]Почти вся материя, с которой можно столкнуться или испытать в повседневной жизни, представляет собой барионную материю , которая включает в себя атомы любого типа и придает им свойство массы. Небарионная материя, как следует из названия, — это любая материя, не состоящая в основном из барионов. Сюда могут входить нейтрино и свободные электроны , темная материя , суперсимметричные частицы , аксионы и черные дыры .
Само существование барионов также является важной проблемой в космологии, поскольку предполагается, что Большой взрыв создал состояние с равным количеством барионов и антибарионов. Процесс, посредством которого барионы стали превосходить по численности свои античастицы, называется бариогенезом .
Бариогенез
[ редактировать ]Эксперименты согласуются с тем, что число кварков во Вселенной сохраняется наряду с общим числом барионов , а антибарионы считаются отрицательными величинами. [11] В рамках преобладающей Стандартной модели физики элементарных частиц число барионов может изменяться кратно трем из-за действия сфалеронов , хотя это случается редко и в эксперименте не наблюдалось. Некоторые теории великого объединения физики элементарных частиц также предсказывают, что одиночный протон может распасться , изменяя барионное число на единицу; однако в эксперименте этого еще не наблюдалось. Считается, что преобладание барионов над антибарионами в современной Вселенной связано с несохранением барионного числа в очень ранней Вселенной, хотя это еще не совсем понятно.
Характеристики
[ редактировать ]Изоспин и заряд
[ редактировать ]Концепция изоспина была впервые предложена Вернером Гейзенбергом в 1932 году для объяснения сходства между протонами и нейтронами в условиях сильного взаимодействия . [12] Хотя у них были разные электрические заряды, их массы были настолько похожи, что физики считали, что это одна и та же частица. Различные электрические заряды объяснялись результатом какого-то неизвестного возбуждения, подобного спину. Это неизвестное возбуждение позже было названо в 1937 году изоспином Юджином Вигнером . [13]
Эта вера сохранялась до тех пор, пока Мюррей Гелл-Манн не предложил в 1964 году модель кварков (первоначально содержащую только u-, d- и s-кварки). [14] Сейчас считается, что успех модели изоспина является результатом схожих масс u- и d-кварков. Поскольку u- и d-кварки имеют одинаковые массы, частицы, состоящие из одного и того же числа, также имеют схожие массы. Точный конкретный состав u- и d-кварков определяет заряд, поскольку u-кварки несут заряд + 2 / 3 в то время как d-кварки несут заряд − 1 / 3 . Например, все четыре Дельты имеют разные заряды (
Д ++
(ууу),
Д +
(ууд),
Д 0
(пик),
Д −
(ddd)), но имеют схожие массы (~1232 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 по образцу спина. Проекции изоспина варьировались с шагом 1, как и проекции спина, и каждой проекции было сопоставлено « заряженное состояние ». Поскольку « Дельта-частица » имела четыре «заряженных состояния», ее называли состоящей из изоспина I = 3/2 . Его «заряженные состояния»
Д ++
,
Д +
,
Д 0
, и
Д −
, соответствовало проекциям изоспина I 3 = + 3 / 2 , я 3 знак равно + 1 / 2 , я 3 знак равно - 1 / 2 , и я 3 знак равно - 3/2 соответственно . Другой пример — «нуклонная частица». Поскольку существовало два «заряженных состояния» нуклона, считалось, что оно имеет изоспин. 1/2 . Положительный нуклон
Н +
(протон) отождествлялся с I 3 = + 1/2 нейтральный и нуклон
Н 0
(нейтрон) с I 3 = − 1 / 2 . [15] Позднее было отмечено, что проекции изоспина связаны с содержанием верхних и нижних кварков в частицах соотношением:
где n — количество верхних и нижних кварков и антикварков.
В «картине изоспина» четыре дельты и два нуклона считались разными состояниями двух частиц. Однако в кварковой модели дельты — это разные состояния нуклонов (N ++ или Н − запрещены принципом Паули ). Изоспин, хотя и дает неточную картину происходящего, все еще используется для классификации барионов, что приводит к неестественной и часто запутанной номенклатуре.
Квантовые числа вкуса
[ редактировать ]S Было замечено, что квантовое число странного аромата ( не путать со спином) увеличивается и уменьшается вместе с массой частицы. Чем больше масса, тем меньше странность (тем больше s-кварков). Частицы можно описать с помощью проекций изоспина (связанных с зарядом) и странности (массы) (см. цифры октета и декуплета uds справа). Когда были открыты другие кварки, были созданы новые квантовые числа, которые имели аналогичное описание октетов и декуплетов udc и udb. Поскольку схожи только массы u и d, это описание массы и заряда частицы в терминах изоспина и ароматных квантовых чисел хорошо работает только для октета и декуплета, состоящего из одного u, одного d и еще одного кварка, и не работает для другие октеты и декуплеты (например, октет и декуплет ucb). Если бы все кварки имели одинаковую массу, их поведение можно было бы назвать симметричным , поскольку все они вели бы себя одинаково при сильном взаимодействии. Поскольку кварки имеют разную массу, они и взаимодействуют неодинаково (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 о симметрии говорят быть сломанный .
Было отмечено, что заряд ( ) , барионным Q) связан с проекцией изоспина (I3 числом ( B ) и ароматными квантовыми числами ( S , C , B ′, T ) формулой Гелла-Манна–Нисидзимы : [15]
где S , C , B ′ и T представляют собой квантовые числа странности , очарования , нижнего и верхнего вкуса соответственно. Они связаны с количеством странных, очаровательных, нижних, верхних кварков и антикварков соотношениями:
это означает, что формула Гелла-Манна-Нисидзимы эквивалентна выражению заряда через содержание кварков:
Спин, орбитальный угловой момент и полный угловой момент
[ редактировать ]Спин (квантовое число S ) — векторная величина, представляющая «собственный» угловой момент частицы. Это происходит с шагом 1 / 2 ħ (произносится «ч-бар»). ħ часто опускается, потому что это «фундаментальная» единица вращения, и подразумевается, что «спин 1» означает «спин 1 ħ». В некоторых системах натуральных единиц ħ 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 ħ), одиночный кварк имеет вектор спина длины 1 / 2 и имеет две проекции спина ( S z = + 1 / 2 и S z = - 1/2 ) . Два кварка могут иметь выровненные спины, и в этом случае два вектора спина складываются, образуя 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. Поскольку барионы состоят из трех кварков, их векторы спина могут складываться составить вектор длины S = 3 / 2 , который имеет четыре проекции спина ( S z = + 3 / 2 , S z знак равно + 1 / 2 , S z знак равно - 1 / 2 и S z знак равно - 3 / 2 ), или вектор длины S = 1/2 = ( с двумя проекциями спина S z + 1 / 2 и S z знак равно - 1 / 2 ). [16]
Существует еще одна величина углового момента, называемая орбитальным угловым моментом ( азимутальное квантовое число L ), которая имеет приращения 1 ħ и представляет собой угловой момент, обусловленный кварками, вращающимися вокруг друг друга. Таким образом, полный угловой момент ( квантовое число полного углового момента J ) частицы представляет собой комбинацию собственного углового момента (спина) и орбитального углового момента. Оно может принимать любое значение из J = | Л - С | к J = | Л + С | , с шагом 1.
Вращаться, С | Орбитально-угловой момент, л | Общий угловой момент, Дж | Паритет , П | Сжатый обозначение, Дж П |
---|---|---|---|---|
1 / 2 | 0 | 1 / 2 | + | 1 / 2 + |
1 | 3 / 2 , 1 / 2 | − | 3 / 2 − , 1 / 2 − | |
2 | 5 / 2 , 3 / 2 | + | 5 / 2 + , 3 / 2 + | |
3 | 7 / 2 , 5 / 2 | − | 7 / 2 − , 5 / 2 − | |
3 / 2 | 0 | 3 / 2 | + | 3 / 2 + |
1 | 5 / 2 , 3 / 2 , 1 / 2 | − | 5 / 2 − , 3 / 2 − , 1 / 2 − | |
2 | 7 / 2 , 5 / 2 , 3 / 2 , 1 / 2 | + | 7 / 2 + , 5 / 2 + , 3 / 2 + , 1 / 2 + | |
3 | 9 / 2 , 7 / 2 , 5 / 2 , 3 / 2 | − | 9 / 2 − , 7 / 2 − , 5 / 2 − , 3 / 2 − |
Физики элементарных частиц больше всего интересуются барионами без орбитального углового момента ( L = 0), поскольку они соответствуют основным состояниям — состояниям с минимальной энергией. Поэтому наиболее изученными двумя группами барионов являются 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 можно получить J = 3 / 2 + частицы из S = 1/2 = = и L также S 2, а 3/2 = 2. Это явление наличия нескольких частиц в одной и той же конфигурации полного углового и L момента называется вырождением . Как отличить эти вырожденные барионы – это активная область исследований в барионной спектроскопии . [17] [18]
Паритет
[ редактировать ]Если бы Вселенная отражалась в зеркале, большинство законов физики были бы идентичны — все вело бы себя одинаково, независимо от того, что мы называем «левым», а что — «правым». Эта концепция зеркального отражения называется « внутренней четностью » или просто «четностью» ( П ). Гравитация , электромагнитная сила и сильное взаимодействие ведут себя одинаково независимо от того, отражается Вселенная в зеркале или нет, и поэтому говорят, что они сохраняют четность (P-симметрию). Однако слабое взаимодействие действительно отличает «левое» от «правого» - явление, называемое нарушением четности (P-нарушение).
Исходя из этого, если бы волновая функция каждой частицы (точнее, квантовое поле для каждого типа частиц) была одновременно перевернута зеркально, то новый набор волновых функций полностью удовлетворял бы законам физики (не считая слабого взаимодействия). . Оказывается, это не совсем так: для того, чтобы уравнения выполнялись, волновые функции некоторых типов частиц нужно не только зеркально перевернуть, но и умножить на −1. Говорят, что такие типы частиц имеют отрицательную или нечетную четность ( P = -1 или, альтернативно, P = -), в то время как говорят, что другие частицы имеют положительную или четную четность ( P = +1 или, альтернативно, P = +).
Для барионов четность связана с орбитальным угловым моментом соотношением: [19]
Как следствие, все барионы без орбитального углового момента ( L = 0) имеют четность ( P = +).
Номенклатура
[ редактировать ]Барионы классифицируются на группы в соответствии с их значениями изоспина ( I ) и содержанием кварков ( q ). Существует шесть групп барионов: нуклон (
Н
), Дельта (
Д
), Лямбда (
л
), Сигма (
С
), Си (
Х
) и Омега (
Ой
). Правила классификации определяются Группой данных частиц . Эти правила учитывают ап (
в
), вниз (
д
) и странно (
с
) кварки, чтобы быть светом и очарованием (
с
), нижний (
б
) и верх (
т
) кварки тяжелые . Правила охватывают все частицы, которые могут быть образованы из трех из шести кварков каждого типа, даже несмотря на то, что барионы, состоящие из топ-кварков, не должны существовать из-за короткого времени жизни топ-кварка . Правила не распространяются на пентакварки. [20]
- Барионы с (любой комбинацией) трех
в
и/или
д
кварки
Н
с ( я = 1 / 2 ) или
Д
барионы ( я = 3 / 2 ). - Барионы, содержащие два
в
и/или
д
кварки
л
барионы ( I = 0) или
С
барионы ( I = 1). Если третий кварк тяжелый, его идентичность определяется нижним индексом. - Барионы, содержащие один
в
или
д
кварки
Х
барионы ( я = 1/2 ) . Один или два индекса используются, если один или оба оставшихся кварка тяжелые. - Барионы, не содержащие
в
или
д
кварки
Ой
барионы ( I = 0), а нижние индексы указывают на наличие тяжелых кварков. - Барионы, которые сильно распадаются, имеют массу в своем названии. Например, Σ 0 не сильно затухает, но ∆ ++ (1232) так и есть.
Также широко распространена (но не универсальна) практика следовать некоторым дополнительным правилам при различении некоторых штатов, которые в противном случае имели бы один и тот же символ. [15]
- Барионы с полным угловым моментом J = 3 / 2 конфигурации, которые имеют те же символы, что и их J = 1 / 2 аналоги обозначены звездочкой (*).
- Два бариона могут состоять из трех разных кварков в J = 1/2 конфигурация . В этом случае для их различения используется штрих ( ′ ).
- Исключение : когда два из трех кварков являются верхним и нижним, один барион называется Λ, а другой — Σ.
Кварки несут заряд, поэтому знание заряда частицы косвенно дает представление о составе кварка. Например, в приведенных выше правилах говорится, что
л +
c содержит ac-кварк и некоторую комбинацию двух u- и/или d-кварков. c-кварк имеет заряд ( Q = + 2 / 3 ), поэтому два других должны быть кварками ( Q = + 2 / 3 ) и ад-кварк ( Q = − 1 / 3 ), чтобы получить правильный общий заряд ( Q = +1).
См. также
[ редактировать ]Цитаты
[ редактировать ]- ^ Гелл-Манн, М. (1964). «Схематическая модель барионов и мезонов». Письма по физике . 8 (3): 214–215. Бибкод : 1964PhL.....8..214G . дои : 10.1016/S0031-9163(64)92001-3 .
- ^ Накано, Тадао ; Нисидзима, Кадзухико (ноябрь 1953 г.). «Независимость от заряда для V -частиц» . Успехи теоретической физики . 10 (5): 581–582. Бибкод : 1953PThPh..10..581N . дои : 10.1143/PTP.10.581 .
«Барион» — это собирательное название членов семейства нуклонов. Это имя связано с Паисом . См. исх. (6).
- ^ Дж. Майкл Шулл; и др. (2012). «Перепись барионов в многофазной межгалактической среде: 30% барионов все еще могут отсутствовать». Том. 759, нет. 1. Астрофизический журнал. дои : 10.1088/0004-637X/759/1/23 .
- ^ Ж.-П. Маккар; и др. (2020). «Перепись барионов во Вселенной по локализованным быстрым радиовсплескам». Том. 581. Природа. стр. 391–395. дои : 10.1038/s41586-020-2300-2 .
- ^ Х. Мьюир (2003)
- ^ К. Картер (2003)
- ^ В.-М. Яо и др. (2006): Списки частиц - Θ +
- ^ Дж. Амслер и др. (2008): Пентакварки
- ^ LHCb (14 июля 2015 г.). «Наблюдение частиц, состоящих из пяти кварков, пентакварк-чармониевых состояний, видимых в Λ 0
б → Дж/ψpK − распадается» . ЦЕРН . Проверено 14 июля 2015 г. - ^ Р. Аайдж и др. ( Коллаборация LHCb ) (2015). «Наблюдение резонансов J/ψp, соответствующих состояниям пентакварка в Λ 0
б→Дж/ψK − p распадается». Physical Review Letters . 115 (7): 072001. arXiv : 1507.03414 . Bibcode : 2015PhRvL.115g2001A . doi : 10.1103/PhysRevLett.115.072001 . PMID 26317714. . S2CID 119204136 . - ^ «11.3: Законы сохранения частиц» . Либретексты . 1 ноября 2016 г. Архивировано из оригинала 10 августа 2022 г. Проверено 26 декабря 2023 г.
- ^ В. Гейзенберг (1932)
- ^ Э. Вигнер (1937)
- ^ М. Гелл-Манн (1964)
- ^ Jump up to: а б с ССМ Вонг (1998a)
- ^ Р. Шанкар (1994)
- ^ Х. Гарсиласо и др. (2007)
- ^ DM Мэнли (2005)
- ^ ССМ Вонг (1998b)
- ^ К. Амслер и др. (2008): Схема именования адронов.
Общие ссылки
[ редактировать ]- К. Амслер и др. ( Группа данных о частицах ) (2008). «Обзор физики элементарных частиц» (PDF) . Буквы по физике Б. 667 (1): 1–1340. Бибкод : 2008PhLB..667....1A . дои : 10.1016/j.physletb.2008.07.018 . hdl : 1854/LU-685594 . ПМИД 10020536 . S2CID 227119789 . Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
- Х. Гарсиласо; Дж. Видханде и А. Валькарсе (2007). «Фаддеевское исследование спектроскопии тяжелых барионов». Журнал физики Г. 34 (5): 961–976. arXiv : hep-ph/0703257 . Бибкод : 2007hep.ph....3257G . дои : 10.1088/0954-3899/34/5/014 . S2CID 15445714 .
- К. Картер (2006). «Взлет и падение пентакварка» . Фермилаб и SLAC . Архивировано из оригинала 8 июля 2007 г. Проверено 27 мая 2008 г.
- В.-М. Яо и др. ( Группа данных о частицах ) (2006). «Обзор физики элементарных частиц». Журнал физики Г. 33 (1): 1–1232. arXiv : astro-ph/0601168 . Бибкод : 2006JPhG...33....1Y . дои : 10.1088/0954-3899/33/1/001 .
- Д. М. Мэнли (2005). «Состояние барионной спектроскопии» . Физический журнал: серия конференций . 5 (1): 230–237. Бибкод : 2005JPhCS...9..230M . дои : 10.1088/1742-6596/9/1/043 .
- Х. Мьюир (2003). «Открытие пентакварка сбивает с толку скептиков» . Новый учёный . Проверено 27 мая 2008 г.
- ССМ Вонг (1998a). «Глава 2 — Структура нуклона». Вводная ядерная физика (2-е изд.). Нью-Йорк (Нью-Йорк): Джон Уайли и сыновья . стр. 21–56. ISBN 978-0-471-23973-4 .
- ССМ Вонг (1998b). «Глава 3 — Дейтрон». Вводная ядерная физика (2-е изд.). Нью-Йорк (Нью-Йорк): Джон Уайли и сыновья. стр. 57–104. ISBN 978-0-471-23973-4 .
- Р. Шанкар (1994). Принципы квантовой механики (2-е изд.). Нью-Йорк (Нью-Йорк): Пленум Пресс . ISBN 978-0-306-44790-7 .
- Э. Вигнер (1937). «О влиянии симметрии ядерного гамильтониана на спектроскопию ядер». Физический обзор . 51 (2): 106–119. Бибкод : 1937PhRv...51..106W . дои : 10.1103/PhysRev.51.106 .
- М. Гелл-Манн (1964). «Схема барионов и мезонов». Письма по физике . 8 (3): 214–215. Бибкод : 1964PhL.....8..214G . дои : 10.1016/S0031-9163(64)92001-3 .
- В. Гейзенберг (1932). «О построении атомных ядер I». Журнал физики (на немецком языке). 77 (1–2): 1–11. Бибкод : 1932ZPhy...77....1H . дои : 10.1007/BF01342433 . S2CID 186218053 .
- В. Гейзенберг (1932). «О строительстве атомных ядер II». Журнал физики (на немецком языке). 78 (3–4): 156–164. Бибкод : 1932ZPhy...78..156H . дои : 10.1007/BF01337585 . S2CID 186221789 .
- В. Гейзенберг (1932). «О построении атомных ядер III». Журнал физики (на немецком языке). 80 (9–10): 587–596. Бибкод : 1933ZPhy...80..587H . дои : 10.1007/BF01335696 . S2CID 126422047 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Группа данных о частицах — Обзор физики элементарных частиц (2018).
- Государственный университет Джорджии — гиперфизика
- Барионы стали мыслимыми : интерактивная визуализация, позволяющая сравнивать физические свойства