Барион - Википедия - Baryon

Стандартная модель из физика элементарных частиц
Элементарные частицы из Стандартная модель
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 математики
Ограничения Сильная проблема CP Проблема иерархии Колебания нейтрино Физика за пределами стандартной модели
Ученые Резерфорд  · Томсон  · Чедвик  · Bose  · Сударшан  · Кошиба  · Дэвис-младший  · Андерсон  · Ферми  · Дирак  · Фейнман  · Rubbia  · Гелл-Манн  · Кендалл  · Тейлор  · Фридман  · Пауэлл  · П. В. Андерсон  · Глэшоу  · Илиопулос  · Майани  · Meer  · Cowan  · Намбу  · Чемберлен  · Cabibbo  · Шварц  · Perl  · Майорана  · Вайнберг  · Ли  · сторожить  · Салам  · Кобаяши  · Maskawa  · Ян  · Юкава  · 'т Хофт  · Вельтман  · Валовой  · Политцер  · Вильчек  · Кронин  · Fitch  · Vleck  · Хиггс  · Энглерт  · Brout  · Hagen  · Гуральник  · Kibble  · Тинг  · Рихтер

В физика элементарных частиц, а барион это тип составной субатомная частица который содержит нечетное количество валентные кварки (минимум 3).^[1] Барионы принадлежат к адрон семейство частиц; адроны состоят из кварки. Барионы также классифицируются как фермионы потому что у них есть полуцелое число вращение.

Название «барион», введенное Авраам Паис,^[2] исходит из Греческий слово для «тяжелого» (βαρύς, Barýs), потому что на момент своего наименования наиболее известные элементарные частицы имели меньшие массы, чем барионы. Каждому бариону соответствует античастица (антибарион), где соответствующие им антикварки заменяют кварки. Например, протон состоит из двух до кварков и один вниз кварк; и соответствующая ему античастица антипротон, состоит из двух антикварков вверх и одного антикварка вниз.

Поскольку они состоят из кварков, барионы участвуют в сильное взаимодействие, который опосредованный частицами, известными как глюоны. Самые известные барионы: протоны и нейтроны, оба из которых содержат по три кварка, и по этой причине их иногда называют трикварки. Эти частицы составляют большую часть видимой иметь значение в вселенная и составить ядро каждого атом. (Электроны, другой главный компонент атома, являются членами другого семейства частиц, называемых лептоны; лептоны не взаимодействуют посредством сильного взаимодействия.) Экзотические барионы содержащий пять кварков, называемых пентакварки, также были открыты и изучены.

Перепись барионов Вселенной показывает, что 10% из них можно найти внутри галактик, от 50 до 60% - в галактиках. окологалактическая среда,^[3] а остальные 30-40% могут быть размещены в теплая – горячая межгалактическая среда (ПРИЧУД).^[4]

Фон

Барионы сильно взаимодействуют фермионы; то есть на них действуют сильная ядерная сила и описаны Статистика Ферми – Дирака, которые применяются ко всем частицам, подчиняющимся Принцип исключения Паули. Это в отличие от бозоны, которые не подчиняются принципу исключения.

Барионы вместе с мезоны, находятся адроны, частицы, состоящие из кварки. Кварки имеют барионные числа из B = 1/3 а антикварки имеют барионные числа B = −1/3. Термин «барион» обычно относится к трикварки- барионы из трех кварков (B = 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1).

Другой экзотические барионы были предложены, такие как пентакварки - барионы из четырех кварков и одного антикварка (B = 1/3 + 1/3 + 1/3 + 1/3 − 1/3 = 1),^[5][6] но их существование не принято. Сообщество физиков элементарных частиц в целом не считало их существование вероятным в 2006 году,^[7] а в 2008 году считалось доказательством, которое подавляющим большинством противоречит существованию зарегистрированных пентакварков.^[8] Однако в июле 2015 г. LHCb В эксперименте наблюдались два резонанса, согласующиеся с состояниями пентакварка в Λ⁰
_б → J / ψK⁻
p-распад с комбинированным Статистическая значимость 15σ.^[9][10]

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

Барионная материя

Почти все, что можно встретить или испытать в повседневной жизни, является барионным. иметь значение, который включает атомы любого вида и наделяет их свойством массы. Небарионная материя, как следует из названия, - это любой вид материи, который не состоит в основном из барионов. Это может включать нейтрино и бесплатно 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, в результате которого барионы превзошли по численности античастицы называется бариогенез.

Бариогенез

Эксперименты согласуются с тем, что количество кварков во Вселенной является константой, а, если быть более конкретным, количество барионов является константой (если антивещество считается отрицательным);^{[нужна цитата ]} на техническом языке, общая барионное число по-видимому консервированный. В рамках преобладающих Стандартная модель физики элементарных частиц, количество барионов может измениться кратно трем из-за действия сфалероны, хотя это бывает редко и экспериментально не наблюдалось. Немного теории великого объединения физики элементарных частиц также предсказывают, что один протон может распадаться, изменяя барионное число на единицу; однако в эксперименте этого еще не наблюдалось. Считается, что избыток барионов над антибарионами в современной Вселенной вызван не-сохранение барионного числа в очень ранней Вселенной, хотя это еще не совсем понятно.

Характеристики

Изоспин и заряд

Комбинации трех ты, d или же s кварков, образующих барионы со спином3/2 сформировать uds барионный декуплет

Комбинации трех ты, d или же s кварков, образующих барионы со спином1/2 сформировать барионный октет uds

Концепция изоспина была впервые предложена Вернер Гейзенберг в 1932 году, чтобы объяснить сходство между протонами и нейтронами под сильное взаимодействие.^[11] 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 были объяснены как результат какого-то неизвестного возбуждения, подобного спину. Это неизвестное возбуждение позже было названо изоспин к Юджин Вигнер в 1937 г.^[12]

Эта вера длилась до Мюррей Гелл-Манн предложил кварковая модель в 1964 г. (первоначально содержал 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, четыре Дельты у всех разные заряды (
Δ⁺⁺
(ууу),
Δ⁺
(уд),
Δ⁰
(удд),
Δ⁻
(ddd)), но имеют близкие массы (~ 1,232 МэВ / c²), поскольку каждый из них состоит из комбинации трех кварков u или d. 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 был связан символ "заряженное состояние ". Поскольку"Дельта-частица "имел четыре" заряженных состояния ", было сказано, что это изоспин я = 3/2. Его «заряженные состояния»
Δ⁺⁺
,
Δ⁺
,
Δ⁰
, и
Δ⁻
, соответствовали проекциям изоспина я₃ = +3/2, я₃ = +1/2, я₃ = −1/2, и я₃ = −3/2, соответственно. Другой пример - «нуклонная частица». Поскольку было два «заряженных состояния» нуклона, он был назван изоспиновым. 1/2. Положительный нуклон
N⁺
(протон) был отождествлен с я₃ = +1/2 и нейтральный нуклон
N⁰
(нейтрон) с я₃ = −1/2.^[14] Позже было отмечено, что проекции изоспина 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 п 's - 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 Принцип исключения Паули ). Изоспин, хотя и передает неточную картину вещей, все еще используется для классификации барионов, что приводит к неестественной и часто сбивающей с толку номенклатуре.

Квантовые числа вкуса

В странность квантовое число аромата S (не путать со спином) было замечено, что оно идет вверх и вниз 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. Рисунки октетов и декуплетов uds справа). Когда были открыты другие кварки, были созданы новые квантовые числа, которые имели аналогичное описание 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 симметричный, 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 сломанный.

Было отмечено, что обвинение (Q) был связан с проекцией изоспина (я₃), барионное число (B) и ароматические квантовые числа (S, C, B′, Т) посредством Формула Гелл-Манна – Нисиджимы:^[14]

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

куда S, C, B', и Т представляют странность, очарование, бездонность и вершина квантовые числа аромата соответственно. Они связаны с числом странных, очаровательных, нижних и верхних кварков и антикварков соотношениями:

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

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

Вращение (квантовое число S) это вектор количество, которое представляет собой "внутреннее" угловой момент частицы. Он идет с шагом 1/2 час (произносится как «ч-бар»). Ħ часто опускается, потому что это «основная» единица вращения, и подразумевается, что «спин 1» означает «спин 1 ħ». В некоторых системах натуральные единицы, ħ выбрано равным 1 и поэтому нигде не появляется.

Кварки находятся фермионный частицы спина 1/2 (S = 1/2). Поскольку проекции спина изменяются с шагом 1 (то есть 1), отдельный кварк имеет вектор спина длины 1/2, и имеет две проекции спина (S_z = +1/2 и 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 спина складываются, чтобы получить вектор длины S = 0 и имеет только одну проекцию спина (S_z = 0) и т. Д. Поскольку барионы состоят из трех кварков, их спиновые векторы могут складываться, чтобы получить вектор длины S = 3/2, имеющий четыре проекции спина (S_z = +3/2, S_z = +1/2, S_z = −1/2, и S_z = −3/2) или вектор длины S = 1/2 с двумя проекциями спина (S_z = +1/2, и S_z = −1/2).^[15]

Есть еще одна величина углового момента, называемая орбитальный угловой момент (азимутальное квантовое число L), который поступает с шагом 1 ħ, что представляет собой угловой момент, обусловленный вращением кварков вокруг друг друга. В полный угловой момент (квантовое число полного углового момента J) частицы, следовательно, представляет собой комбинацию собственного углового момента (спина) и орбитального углового момента. Может принимать любое значение от J = |L − S| к J = |L + S|, с шагом 1.

Физиков элементарных частиц больше всего интересуют барионы без орбитального углового момента (L = 0), так как они соответствуют основные состояния - состояния минимальной энергии. 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 = 1/2 и L = 2, а также S = 3/2 и L = 2. Это явление наличия нескольких частиц в одной и той же конфигурации полного углового момента называется вырождение. Как отличить эти вырожденные барионы - активная область исследований в барионная спектроскопия.^[16][17]

Паритет

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 "внутренняя четность "или просто" паритет "(п). Сила тяжести, то электромагнитная сила, а сильное взаимодействие все ведут себя одинаково, независимо от того, отражается ли вселенная в зеркале, и поэтому говорят, что сохранять паритет (P-симметрия). Тем не менее слабое взаимодействие отличает «левое» от «правого», это явление называется нарушение четности (P-нарушение).

Исходя из этого, если волновая функция для каждой частицы (точнее говоря, квантовое поле для каждого типа частиц) были одновременно зеркально перевернуты, тогда новый набор волновых функций полностью удовлетворял бы законам физики (за исключением слабого взаимодействия). Оказывается, это не совсем так: для выполнения уравнений волновые функции определенных типов частиц должны быть умножены на -1, помимо того, что они зеркально перевернуты. Говорят, что такие типы частиц имеют отрицательную или нечетную четность (п = −1 или альтернативно п = -), а остальные частицы имеют положительную или даже четность (п = +1 или альтернативно п = +).

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

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

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

Номенклатура

Барионы классифицируются на группы по их изоспин (я) значения и кварк (q) содержание. Всего существует шесть групп барионов: нуклон (
N
), Дельта (
Δ
), Лямбда (
Λ
), Сигма (
Σ
), Си (
Ξ
), и Омега (
Ω
). Правила классификации определяются Группа данных о частицах. Эти правила учитывают вверх (
ты
), вниз (
d
) и странный (
s
) кварки быть свет и очарование (
c
), Нижний (
б
), и верх (
т
) кварки быть тяжелый. 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 короткое время жизни топ-кварка. Правила не распространяются на пентакварки.^[19]

• Барионы с (любой комбинацией) тремя
  ты
  и / или
  d
  кварки
  N
  s (я = 1/2) или же
  Δ
  барионы (я = 3/2).
• Барионы, содержащие два
  ты
  и / или
  d
  кварки
  Λ
  барионы (я = 0) или
  Σ
  барионы (я = 1). Если третий кварк тяжелый, его идентичность указывается нижним индексом.
• Барионы, содержащие один
  ты
  или же
  d
  кварк
  Ξ
  барионы (я = 1/2). Один или два нижних индекса используются, если один или оба оставшихся кварка тяжелые.
• Барионы, не содержащие
  ты
  или же
  d
  кварки
  Ω
  барионы (я = 0), а нижние индексы указывают на любое содержание тяжелых кварков.
• Массы сильно распадающихся барионов являются частью их имен. Например, Σ⁰ не затухает сильно, но Δ⁺⁺(1232) делает.

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 полный угловой момент J = 3/2 конфигурации, которые имеют те же символы, что и их J = 1/2 аналоги отмечены звездочкой (*).
• Два бариона могут состоять из трех разных кварков в J = 1/2 конфигурация. 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⁺
_c содержит c-кварк и некоторую комбинацию двух u- и / или d-кварков. C-кварк имеет заряд (Q = +2/3), поэтому два других должны быть u-кварком (Q = +2/3) и d-кварк (Q = −1/3), чтобы иметь правильный общий заряд (Q = +1).

Смотрите также

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

Примечания

Рекомендации

внешняя ссылка

• Группа данных о частицах—Обзор физики элементарных частиц (2018).
• Государственный университет Джорджии—Гиперфизика
• Барионы стали мыслимыми, интерактивная визуализация, позволяющая сравнивать физические свойства