Адрон - Hadron

Как адроны сочетаются с двумя другими классами субатомные частицы, бозоны и фермионы

В физика элементарных частиц, а адрон /ˈчасædрɒп/ (Об этом звукеСлушать) (Греческий: ἁδρός, хадрос; "толстый, толстый") является субатомным композитная частица состоит из двух или более кварки удерживаются вместе посредством сильная сила аналогично молекулы держатся вместе электромагнитная сила. Большую часть массы обычного вещества составляют два адрона: протон и нейтрон.

Адроны делятся на два семейства: барионы, состоящий из нечетного количества кварки - обычно три кварка - и мезоны, состоящий из четного числа кварков - обычно один кварк и один антикварк.[1] Протоны и нейтроны (которые составляют большую часть массы атом ) являются примерами барионов; пионы являются примером мезона. «Экзотические» адроны, содержащие более трех валентных кварков, были открыты в последние годы. А тетракварк состояние ( экзотический мезон ), назвал Z (4430)−, был открыт в 2007 г. Belle Collaboration[2] и подтверждено как резонанс в 2014 г. LHCb сотрудничество.[3] Два пентакварк состояния (экзотические барионы ), названный п+
c(4380) и п+
c(4450), были открыты в 2015 г. LHCb сотрудничество.[4] Есть несколько более экзотических кандидатов в адроны и другие комбинации цветных синглетных кварков, которые также могут существовать.

Почти все «свободные» адроны и антиадроны (то есть изолированно и не связаны внутри атомное ядро ) считаются неустойчивый и в конечном итоге распадаются (распадаются) на другие частицы. Единственное известное исключение касается свободных протонов, которые возможно стабильный, или, по крайней мере, потребуется огромное количество времени для распада (порядка 1034+ годы). Свободные нейтроны нестабильны и распад с период полураспада около 611 секунд. Их соответствующие античастицы ожидается, что они будут следовать той же схеме, но их трудно поймать и изучить, потому что они немедленно аннигилируют при контакте с обычной материей. «Связанные» протоны и нейтроны, содержащиеся в атомное ядро, обычно считаются стабильными. Экспериментально физику адронов изучает сталкивающиеся протоны или ядра тяжелых элементов таких как свинец или золото, и обнаружение мусора в ливнях образовавшихся частиц. В естественной среде такие мезоны, как пионы производятся столкновениями космические лучи с атмосферой.

Этимология

Термин «адрон» был введен Лев Б. Окун в пленарный доклад в 1962 г. Международная конференция по физике высоких энергий.[5] В этом разговоре он сказал:

Несмотря на то, что в этом отчете рассматриваются слабые взаимодействия, 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, если взять хотя бы один пример, распад на сильно взаимодействующие частицы называется не-лептонный. Это определение неточно, потому что «нелептонный» может также означать «фотонный». В этом отчете я буду называть сильно взаимодействующие частицы адронами, а соответствующие распады адронными (греч. ἁδρός означает "большой", "массивный", в отличие от λεπτός что означает «маленький», «легкий»). Надеюсь, эта терминология окажется удобной.

Характеристики

Зеленая и пурпурная («антизеленая») стрелки компенсируют друг друга белым, представляя мезон; красная, зеленая и синяя стрелки, переходящие в белый цвет, представляют барион; желтая («антисиняя»), пурпурная и голубая («антикрасная») стрелки переходят в белый цвет, представляя антибарион.
Все типы адронов имеют нулевой общий цветной заряд (показаны три примера)

Согласно кварковая модель,[6] свойства адронов в первую очередь определяются их так называемыми валентные кварки. Например, протон состоит из двух до кварков (каждый с электрический заряд +​2⁄3, всего +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 ограничение цвета. То есть адроны должны быть «бесцветными» или «белыми». Самый простой способ сделать это - использовать кварк одного цвета и антикварк соответствующего антицвета, или три кварка разного цвета. Адроны с первым расположением - это разновидность мезон, а со вторым расположением - это тип барион.

Безмассовые виртуальные глюоны составляют подавляющее большинство частиц внутри адронов. Сила сильная сила глюоны которые связывают кварки вместе, обладают достаточной энергией (E) иметь резонансы, состоящие из массивных (м) кварки (E> mc2 ). Одним из результатов является то, что недолговечные пары виртуальный кварки 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 настоящий, 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 все субатомные частицы адронам приписываются квантовые числа соответствующий представления из Группа Пуанкаре: JПК(м), куда J это вращение квантовое число, п внутренняя четность (или P-четность ), C зарядовое сопряжение (или C-четность ), и м частицы масса. Обратите внимание, что масса адрона очень мало связана с массой его валентных кварков; скорее, из-за эквивалентность массы и энергии, большая часть массы исходит от большого количества энергии, связанной с сильное взаимодействие. Адроны также могут нести квантовые числа аромата Такие как изоспин (G-паритет ), и странность. Все кварки несут аддитивное сохраняющееся квантовое число, называемое барионное число (B), что равно +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 известный как резонансы. Каждый основное состояние адрон может иметь несколько возбужденных состояний; в экспериментах наблюдалось несколько сотен резонансов. Резонансы затухают очень быстро (в пределах 10−24 секунды ) через сильное ядерное взаимодействие.

В другом фазы из иметь значение адроны могут исчезнуть. Например, при очень высокой температуре и высоком давлении, если нет достаточно большого количества ароматов кварков, теория квантовая хромодинамика (КХД) предсказывает, что кварки и глюоны больше не будет заключаться в адронах », потому что сила сильного взаимодействия убывает с энергией ". Это свойство, известное как асимптотическая свобода, подтверждено экспериментально в диапазоне энергий от 1 ГэВ (гигаэлектронвольт) и 1 ТэВ (тераэлектронвольт).[7]

Все свободный адроны кроме (возможно) протона и антипротона находятся неустойчивый.

Барионы

Основные статьи: Барион и Экзотический барион

Барионы адроны, содержащие нечетное число валентных кварков (не менее 3).[1] Наиболее известные барионы, такие как протон и нейтрон имеют три валентных кварка, но пентакварки с пятью кварками - тремя кварками разного цвета, а также одной дополнительной парой кварк-антикварк - также было доказано. Поскольку барионы имеют нечетное количество кварков, они также все фермионы, т.е., у них есть полуцелое число вращение. Как кварки обладают барионное число B = ​1⁄3, барионы имеют барионное число B = 1. Пентакварки также имеют B = 1, поскольку барионные числа лишнего кварка и антикварка сокращаются.

Каждому типу барионов соответствует своя античастица (антибарион), в которой кварки заменены соответствующими им антикварками. Например, 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: п+
c(4380) и п+
c(4450), оба открыты в 2015 г. LHCb сотрудничество.[4]

Мезоны

Основные статьи: Мезон и Экзотический мезон

Мезоны адроны, содержащие четное число валентных кварков (не менее 2).[1] Наиболее известные мезоны состоят из пары кварк-антикварк, но возможно тетракварки (4 кварка) и гексакварки (6 кварков, состоящих либо из дибариона, либо из трех кварк-антикварковых пар), возможно, были обнаружены и исследуются, чтобы подтвердить их природу.[8] Несколько других гипотетических типов экзотический мезон могут существовать, которые не подпадают под кварковую модель классификации. К ним относятся глюболы и гибридные мезоны (мезоны связаны возбужденными глюоны ).

Поскольку мезоны имеют четное число кварков, все они тоже бозоны, с целым числом вращение, т.е., 0, 1 или -1. У них есть барионное число B = ​1⁄3 − ​1⁄3 = 0. Примеры мезонов, обычно получаемых в экспериментах по физике элементарных частиц, включают пионы и каоны. Пионы также играют роль в удержании атомные ядра вместе через остаточная сильная сила.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Гелл-Манн, М. (1964). «Схематическая модель барионов и мезонов». Письма по физике. 8 (3): 214–215. Bibcode:1964ФЛ ..... 8..214Г. Дои:10.1016 / S0031-9163 (64) 92001-3.
  2. ^ Choi, S.-K .; Belle Collaboration; и другие. (2008). «Наблюдение резонансной структуры в
    π±
    ′ Массовое распределение в исключительном B → K
    π±
    Ψ ′ распадается ». Письма с физическими проверками. 100 (14): 142001. arXiv:0708.1790. Bibcode:2008PhRvL.100n2001C. Дои:10.1103 / PhysRevLett.100.142001. PMID  18518023. S2CID  119138620.
  3. ^ Aaij, R .; и другие. (LHCb сотрудничество ) (2014). «Наблюдение резонансного характера буквы Z (4430)− Состояние". Письма с физическими проверками. 112 (22): 222002. arXiv:1404.1903. Дои:10.1103 / PhysRevLett.112.222002. PMID  24949760. S2CID  904429.
  4. ^ а б Р. Аайдж; и другие. (LHCb сотрудничество ) (2015). "Наблюдение резонансов J / ψp, согласующихся с состояниями пентакварков в Λ0
    б    → J / ψK−p распадается ». Письма с физическими проверками. 115 (7): 072001. arXiv:1507.03414. Bibcode:2015ПхРвЛ.115г2001А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.115.072001. PMID  26317714. S2CID  119204136.
  5. ^ Лев Борисович Окунь (1962). «Теория слабого взаимодействия». Материалы Международной конференции по физике высоких энергий в ЦЕРН 1962 г.. Женева. п. 845. Bibcode:1962hep..conf..845O.
  6. ^ C. Amsler et al. (Группа данных о частицах ) (2008). «Обзор физики элементарных частиц - модель кварка» (PDF). Письма по физике B. 667 (1): 1–6. Bibcode:2008ФЛБ..667 .... 1А. Дои: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:2007ПрПНП..58..351Б. Дои:10.1016 / j.ppnp.2006.06.001. S2CID  14915298.
  8. ^ Загадочная субатомная частица может представлять новую экзотическую форму материи

внешняя ссылка

  • Словарное определение адрон в Викисловарь