Адрон - Hadron

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 ) ( Древнегреческий : ἁδρός , латинизируются :  Hadros ; «крепкая, толстая») представляет собой композиционная субатомная частиц состоит из двух или более кварков удерживаются вместе самым сильным взаимодействие . Они аналогичны молекулам , которые удерживаются вместе с помощью электрической силы . Большая часть массы обычного вещества происходит от двух адронов: протона и нейтрона , в то время как большая часть массы протонов и нейтронов , в свою очередь, обусловлена ​​энергией связи составляющих их кварков из-за сильного взаимодействия.

Адроны делятся на два широких семейства: барионы , состоящие из нечетного числа кварков (обычно три кварка), и мезоны , состоящие из четного числа кварков (обычно два кварка: один кварк и один антикварк ). 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) ^- , было обнаружено в 2007 году коллаборацией Belle и подтверждено как резонанс в 2014 году коллаборацией LHCb . Два состояния пентакварка ( экзотические барионы ), названные P⁺
_c(4380) и P⁺
_c(4450) , были открыты в 2015 году коллаборацией LHCb . 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 (возможное) исключение - это свободные протоны, которые кажутся стабильными или, по крайней мере, требуют огромного времени для распада (порядка 10 ³⁴⁺  лет). Для сравнения: свободные нейтроны являются самой долгоживущей нестабильной частицей и распадаются с периодом полураспада около 611 секунд. «Связанные» протоны и нейтроны, содержащиеся в атомном ядре , обычно считаются стабильными. Экспериментально адронная физика изучается путем столкновения протонов или ядер плотных тяжелых элементов, таких как свинец или золото, и обнаружения обломков в потоках образовавшихся частиц. Идентичный процесс происходит в естественной среде, в крайних верхних слоях атмосферы, где мезоны, такие как пионы и мюоны - лептоны, которые наивно кажутся почти идентичными - образуются в результате столкновений космических лучей с частицами разреженного газа во внешней атмосфере.

Терминология и этимология

Термин «адрон» - это новое греческое слово, введенное Л.Б. Окуном в пленарном докладе на Международной конференции по физике высоких энергий в ЦЕРН в 1962 году . Он начал свое выступление с определения нового категориального термина:

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, если взять лишь один пример, распад на сильно взаимодействующие частицы называется « нелептонным ». Это определение неточно, потому что «нелептонный» также может означать фотонный. В этом отчете я буду называть сильно взаимодействующие частицы «адронами», а соответствующие распады - «адронными» (греческое ἁδρός означает «большой», «массивный», в отличие от λεπτός, что означает «маленький», «легкий»). Надеюсь, эта терминология окажется удобной. - Л.Б. Окунь (1962).

Характеристики

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

Согласно кварковой модели , свойства адронов в первую очередь определяются их так называемыми валентными кварками . Например, протон состоит из двух верхних кварков (каждый с электрическим зарядом ++2 ⁄ 3 , всего + 4 ⁄ 3 вместе) и один даун-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, а также основные составляющие его массы (за исключением тяжелого чарма и нижних кварков ; верхний кварк исчезает до того, как успевает соединиться в адрон). Сила сильных силовых глюонов, которые связывают кварки вместе, имеет достаточную энергию ( E ), чтобы иметь резонансы, состоящие из массивных ( m ) кварков ( E ≥ mc ² ). Одним из результатов является то, что короткоживущие пары виртуальных кварков и антикварков 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 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 ), 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 от большого количества энергии, связанной с сильным взаимодействием . Адроны также могут иметь ароматические квантовые числа, такие как изоспин ( G-четность ) и странность . Все кварки несут аддитивное сохраняющееся квантовое число, называемое барионным числом ( B ), которое 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, 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). Все свободные адроны, кроме ( возможно ) протона и антипротона , нестабильны .

Барионы

Барионы - это адроны, содержащие нечетное количество валентных кварков (не менее 3). Большинство известных барионов, таких 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 . Как кварки обладают барионным числом B  =  1 / 3 , барионы имеют барионный число B  = 1. пентакварки также имеют B  = 1, так как отменить дополнительный Кварк и число барионов антикварковых в.

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 г. известно два пентакварка P⁺
_c(4380) и P⁺
_c(4450) , оба открыты в 2015 году коллаборацией LHCb .

Мезоны

Мезоны - это адроны, содержащие четное число валентных кварков (не менее 2). 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 природы. 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. У них 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 атомных ядер вместе посредством остаточной сильной силы .

Смотрите также

Сноски

использованная литература

внешние ссылки

• Словарь определения адрона в Викисловаре