Вкус (физика элементарных частиц) - Flavour (particle physics)



Шесть вкусов лептонов

В физика элементарных частиц, вкус или же вкус относится к разновидность из элементарная частица. В Стандартная модель насчитывает шесть вкусов кварки и шесть вкусов лептоны. Обычно они параметризуются вкус квантовые числа которые назначены всем субатомные частицы. Их также можно описать некоторыми из семейные симметрии предложено для кварк-лептонных поколений.

Квантовые числа

В классической механике сила действуя на точечная частица может только изменить частица динамическое состояние, т. е. его импульс, угловой момент и др. Квантовая теория поля однако допускает взаимодействия, которые могут изменять другие аспекты природы частицы, описываемой нединамическими дискретными квантовыми числами. В частности, действие слабая сила такова, что позволяет преобразовывать квантовые числа, описывающие масса и электрический заряд как кварков, так и лептонов от одного дискретного типа к другому. Это известно как изменение вкуса или трансмутация вкуса. Из-за их квантового описания аромат состояния может также пройти квантовая суперпозиция.

В атомная физика главное квантовое число электрон определяет электронная оболочка в котором он находится, что определяет уровень энергии всего атома. Аналогично, пять квантовых чисел аромата (изоспин, странность, очарование, низость или вершина) может характеризовать квантовое состояние кварков степенью, 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 различные массы, электрические заряды и режимы распада. А адрон общие квантовые числа аромата зависят от количества составляющие кварки каждого конкретного аромата.

Законы сохранения

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

Абсолютно сохраненные квантовые числа аромата:

В некоторых теориях, таких как теория великого единства, сохранение индивидуального барионного и лептонного чисел может быть нарушено, если разность между ними ( $B - L$ ) сохраняется (см. хиральная аномалия ). Все остальные квантовые числа аромата нарушаются электрослабые взаимодействия. Сильные взаимодействия сохранить все вкусы.

Симметрия вкуса

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 ортогональный, или перпендикулярно друг другу.

Другими словами, теория обладает преобразованиями симметрии, такими как ${ Displaystyle М влево ({и на вершине d} вправо)}$ , куда $ты$ и $d$ это два поля (представляющие различные поколения лептонов и кварков, см. ниже), и $M$ есть ли 2×2 унитарная матрица с единицей детерминант. Такие матрицы образуют Группа Ли называется SU (2) (видеть особая унитарная группа ). Это пример симметрии аромата.

В квантовая хромодинамика, аромат консервированный глобальная симметрия. в электрослабая теория, с другой стороны, эта симметрия нарушена, и существуют процессы изменения аромата, такие как распад кварка или же осцилляции нейтрино.

Квантовые числа вкуса

Лептоны

Все лептоны нести лептонное число $L = 1$ . Кроме того, лептоны несут слабый изоспин, $Т 3$ , что -1/2 для трех заряженных лептонов (т.е. электрон, мюон и тау ) и +1/2 для трех связанных нейтрино. Каждый дублет заряженного лептона и нейтрино, состоящий из противоположных $Т 3$ считаются одним поколение лептонов. Кроме того, определяется квантовое число, называемое слабый гиперзаряд, $Y W$ , что равно −1 для всех левша лептоны.^[1] Слабый изоспин и слабый гиперзаряд измеренный в Стандартная модель.

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 поколение более полезны: 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, так как нейтрино разных поколений могут смешивание; то есть нейтрино одного аромата может превратиться в другой аромат. Сила таких смесей определяется матрицей, называемой Матрица Понтекорво – Маки – Накагавы – Сакаты (Матрица PMNS).

Кварки

Все кварки нести барионное число $B = 1 / 3$ . Они также все несут слабый изоспин, $Т 3 = \pm 1 / 2$ . Положительный- $Т 3$ кварки (ап, чарм и топ-кварки) называются кварки восходящего типа и отрицательный $Т 3$ кварки (нижний, странный и нижний кварки) называются кварки нижнего типа. Каждый дублет кварков типа вверх и вниз составляет одну поколение кварков.

Для всех перечисленных ниже квантовых чисел аромата кварка принято, что ароматный заряд и электрический заряд кварка одинаковы. знак. Таким образом, любой аромат, который несет заряженный мезон имеет тот же знак, что и его заряд. Кварки имеют следующие ароматические квантовые числа:

Третий компонент изоспин (иногда просто изоспин) ( $я 3$ ), имеющая значение $я 3 = 1 / 2$ для восходящего кварка и $я 3 = - 1 / 2$ для нижнего кварка.
Странность ( $S$ ): Определяется как $S = -(п s - п s̅$ ), куда $п s$ представляет собой количество странные кварки (
s
) и $п s̅$ представляет собой количество странных антикварков (
s
). Это квантовое число было введено Мюррей Гелл-Манн. Это определение придает странному кварку странность -1 по указанной выше причине.
Очарование ( $C$ ): Определяется как $C = (п c - п c̅)$ , куда $п c$ представляет собой количество очаровательные кварки (
c
) и $п c̅$ представляет собой количество очаровательных антикварков. Ценность очаровательного кварка +1.
Дно (или же Красота) ( $B '$ ): Определяется как $B ' = -(п б - п b̅)$ , куда $п б$ представляет собой количество нижние кварки (
б
) и $п b̅$ представляет собой количество нижних антикварков.
Топность (или же правда) ( $Т$ ): Определяется как $Т = (п т - п t̅)$ , куда $п т$ представляет собой количество топ-кварки (
т
) и $п t̅$ представляет собой количество верхних антикварков. Однако из-за чрезвычайно короткого периода полураспада топ-кварка (прогнозируемое время жизни всего 5×10⁻²⁵ s), к тому времени, когда он может сильно взаимодействовать, он уже распался на другой аромат кварка (обычно на нижний кварк ). По этой причине верхний кварк не адронизировать, то есть никогда не образует мезон или же 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 $п q - п q̅$ , т.е. антикварк считается со знаком минус). Они сохраняются как за счет электромагнитного, так и за счет сильного взаимодействия (но не за счет слабого взаимодействия). Из них можно построить производные квантовые числа:

Гиперзаряд ( $Y$ ): $Y = B + S + C + B ' + Т$
Электрический заряд: $Q = я 3 + 1 / 2 Y$ (видеть Формула 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 той же самой); странность того, что античастицы обозначаются как +1, а частицы - как −1 в соответствии с исходным определением. Странность была введена для объяснения скорости распада недавно обнаруженных частиц, таких как каон, и использовалась в Восьмеричный путь классификация адронов и в последующем кварковые модели. Эти квантовые числа сохраняются под сильный и электромагнитные взаимодействия, но не под слабые взаимодействия.

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 $Δ C = \pm1$ ; аналогично, для распада с участием нижнего кварка или антикварка $Δ B ' = \pm1$ . Поскольку процессы первого порядка более распространены, чем процессы второго порядка (с участием двух распадов кварков), это можно использовать в качестве приблизительного "правило выбора "для слабых распадов.

Специальная смесь ароматов творога - это собственное состояние из слабое взаимодействие часть Гамильтониан, поэтому будет особенно просто взаимодействовать с W бозоны (заряженные слабые взаимодействия нарушают аромат). С другой стороны, фермион фиксированной массы (собственное состояние кинетической и сильной взаимодействующих частей гамильтониана) является собственным состоянием аромата. Переход от прежнего базиса к базису собственное состояние аромата / масса-собственное состояние для кварков лежит в основе Матрица Кабиббо – Кобаяши – Маскавы (Матрица СКМ). Эта матрица аналогична матрице PMNS для нейтрино и количественно определяет изменения аромата при заряженных слабых взаимодействиях кварков.

Матрица CKM позволяет Нарушение CP если есть хотя бы три поколения.

Античастицы и адроны

Квантовые числа вкуса складываются. Следовательно античастицы имеют аромат, равный по величине частице, но противоположный по знаку. Адроны наследуют квантовое число аромата от валентные кварки: это основа классификации в кварковая модель. Связь между гиперзарядом, электрическим зарядом и другими ароматическими квантовыми числами сохраняется как для адронов, так и для кварков.

Квантовая хромодинамика

Квантовая хромодинамика (QCD) содержит шесть вкусов кварки. 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) (изоспин симметрия).

Описание киральной симметрии

При некоторых обстоятельствах (например, когда массы кварков намного меньше, чем нарушение киральной симметрии масштаб 250 МэВ), массы кварков не вносят значимого вклада в поведение системы, и их можно игнорировать в нулевом приближении. Затем можно успешно смоделировать упрощенное поведение ароматических преобразований как действующее независимо на левую и правую части каждого кваркового поля. Это приблизительное описание симметрии аромата описывается киральной группой $SU L (N ж) \times SU р (N ж)$ .

Описание симметрии вектора

Если бы все кварки имели ненулевые, но равные массы, то эта киральная симметрия нарушилась бы до векторная симметрия из «диагональной группы вкусов» $SU (N ж)$ , который применяет одно и то же преобразование к обоим спирали кварков. Это снижение симметрии представляет собой форму явное нарушение симметрии. Сила явного нарушения симметрии контролируется текущие массы кварков в КХД.

Даже если кварки безмассовые, киральная симметрия аромата может быть самопроизвольно сломанный если вакуум теории содержит хиральный конденсат (как это происходит в КХД низких энергий). Это дает эффективную массу кварков, которую часто отождествляют с масса валентного кварка в КХД.

Симметрии КХД

Анализ экспериментов показывает, что текущие массы кварков более легких ароматов кварков намного меньше, чем Шкала КХД, Λ_QCD, следовательно, киральная симметрия аромата является хорошим приближением к QCD для верхних, нижних и странных кварков. Успех киральная теория возмущений и тем более наивный хиральные модели вытекают из этого факта. Массы валентных кварков, извлеченные из кварковая модель намного больше текущей массы кварка. Это указывает на то, что КХД имеет спонтанное нарушение киральной симметрии с образованием хиральный конденсат. Другие этапы КХД может нарушить хиральную симметрию аромата другими способами.

История

Некоторые из исторических событий, которые привели к развитию симметрии вкусов, обсуждаются в статье о изоспин, то восьмеричный путь (физика) и киральная симметрия.

Смотрите также

Стандартная модель (математическая формулировка)
Матрица Кабиббо – Кобаяши – Маскавы
Сильная проблема CP и хиральность (физика)
Нарушение киральной симметрии и кварковая материя
Маркировка аромата творога, например B-теги, является примером идентификация частиц в экспериментальной физике элементарных частиц.

дальнейшее чтение

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

внешняя ссылка

Группа данных о частицах.

[1] См. Таблицу вС. Раби, Р. Сленки (1997). «Нейтринные массы: как добавить их в Стандартную модель» (PDF). Лос-Аламос Сайенс (25): 64. Архивировано с оригинал (PDF) на 31.08.2011.

[1]