Barion - Baryon

W fizyce cząstek , A barionowa jest typu złożonego subatomowego cząstki , która zawiera nieparzystą liczbę kwarkach walencyjnych (co najmniej 3). Bariony należą do rodziny cząstek hadronów ; hadrony składają się z kwarków . Bariony są również klasyfikowane jako fermiony, ponieważ mają spin połówkowy .

Nazwa „barion”, wprowadzona przez Abrahama Paisa , pochodzi od greckiego słowa oznaczającego „ciężki” (βαρύς, barýs ), ponieważ w momencie ich nazywania większość znanych cząstek elementarnych miała mniejsze masy niż bariony. Każdy barion ma odpowiednią antycząstkę (antybarion), przy czym odpowiadające mu antykwarki zastępują kwarki. Na przykład proton składa się z dwóch kwarków górnych i jednego kwarka dolnego ; a odpowiadająca jej antycząstka, antyproton , składa się z dwóch antykwarków górnych i jednego antykwarka dolnego.

Ponieważ składają się z kwarków, bariony uczestniczą w oddziaływaniu silnym , w którym pośredniczą cząstki zwane gluonami . Najbardziej znanymi barionami są protony i neutrony , z których oba zawierają trzy kwarki iz tego powodu są czasami nazywane trikwarkami . Cząstki te stanowią większość masy widzialnej materii we wszechświecie i tworzą jądro każdego atomu . ( Elektrony , inny główny składnik atomu, należą do innej rodziny cząstek zwanych leptonami ; leptony nie oddziałują ze sobą poprzez silne oddziaływanie.) Odkryto i zbadano również egzotyczne bariony zawierające pięć kwarków, zwane pentakwarkami .

Spis barionów Wszechświata wskazuje, że 10% z nich można znaleźć w galaktykach, 50 do 60% w ośrodku okołogalaktycznym , a pozostałe 30 do 40% w ciepłym i ciepłym ośrodku międzygalaktycznym (WHIM).

Tło

Bariony są silnie oddziałującymi fermionami ; to znaczy działają na nie przez silne oddziaływanie jądrowe i są opisane przez statystyki Fermiego-Diraca , które odnoszą się do wszystkich cząstek przestrzegających zasady wykluczenia Pauliego . Jest to przeciwieństwo bozonów , które nie przestrzegają zasady wykluczenia.

Bariony, obok mezonów , są hadronami , cząstkami złożonymi z kwarków . Kwarki mają Liczba Barionowa z B  = 1/3a antykwarki mają liczby barionowe B  = −1/3. Termin „barion” zwykle odnosi się do trikwarków —barionów zbudowanych z trzech kwarków ( B  = 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1).

Zaproponowano inne egzotyczne bariony , takie jak pentakwarki — bariony zbudowane z czterech kwarków i jednego antykwarka ( B  = 1/3 + 1/3 + 1/3 + 1/3 − 1/3 = 1), ale ich istnienie nie jest powszechnie akceptowane. Społeczność fizyków cząstek elementarnych jako całość nie uważała ich istnienia za prawdopodobne w 2006 r., a w 2008 r. uznała dowody za zdecydowanie przeczące istnieniu zgłoszonych pentakwarków. Jednak w lipcu 2015 roku eksperyment LHCb zaobserwował dwa rezonanse zgodne ze stanami pentakwarków w0
b
→ J/ψK
rozpad p, z łączną istotnością statystyczną 15σ.

Teoretycznie mogą również istnieć heptakwarki (5 kwarków, 2 antykwarki), nonakwarki (6 kwarków, 3 antykwarki) itp.

Materia barionowa

Prawie cała materia, jaką można spotkać lub doświadczyć w życiu codziennym, jest materią barionową , która zawiera wszelkiego rodzaju atomy i nadaje im właściwość masy. Materia niebarionowa, jak sugeruje nazwa, to każdy rodzaj materii, która nie składa się głównie z barionów. Może to obejmować neutrina i swobodne elektrony , ciemną materię , supersymetryczne cząstki , aksiony i czarne dziury .

Samo istnienie barionów jest również istotną kwestią w kosmologii, ponieważ zakłada się, że Wielki Wybuch wytworzył stan o równych ilościach barionów i antybarionów. Proces, dzięki któremu bariony przewyższyły liczbę antycząstek, nazywa się bariogenezą .

Bariogeneza

Eksperymenty są zgodne ze stałą liczbą kwarków we wszechświecie, a mówiąc dokładniej, liczbą barionów (jeśli antymateria jest ujemna); w języku technicznym całkowita liczba barionów wydaje się być zachowana . W obowiązującym Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych liczba barionów może zmieniać się w wielokrotności trzech ze względu na działanie sfaleronów , chociaż jest to rzadkie i nie zostało zaobserwowane w eksperymentach. Niektóre wielkie zunifikowane teorie fizyki cząstek przewidują również, że pojedynczy proton może się rozpaść, zmieniając liczbę barionową o jeden; jednak nie zostało to jeszcze zaobserwowane w ramach eksperymentu. Uważa się, że nadmiar barionów nad antybarionami w obecnym wszechświecie jest spowodowany nie zachowaniem liczby barionów we wczesnym wszechświecie, choć nie jest to dobrze rozumiane.

Nieruchomości

Izospin i ładowanie

Kombinacje trzech kwarków u , d lub s tworzące bariony o spinie3/2tworzą decuplet barionów uds
Kombinacje trzech kwarków u , d lub s tworzące bariony o spinie1/2tworzą oktet barionowy uds

Koncepcja izospiny została po raz pierwszy zaproponowana przez Wernera Heisenberga w 1932 roku w celu wyjaśnienia podobieństw między protonami i neutronami w oddziaływaniu silnym . Chociaż miały różne ładunki elektryczne, ich masy były tak podobne, że fizycy wierzyli, że to ta sama cząstka. Różne ładunki elektryczne zostały wyjaśnione jako wynik jakiegoś nieznanego wzbudzenia podobnego do spinu. Ta nieznana ekscytacja została później nazwana izospinem przez Eugene Wignera w 1937 roku.

Przekonanie to trwało do czasu, gdy Murray Gell-Mann zaproponował model kwarków w 1964 roku (zawierający pierwotnie tylko kwarki u, d i s). Obecnie uważa się, że sukces modelu izospinowego jest wynikiem podobnych mas kwarków u i d. Ponieważ kwarki u i d mają podobne masy, cząstki złożone z tej samej liczby również mają podobne masy. Dokładny skład kwarków u i d określa ładunek, ponieważ kwarki u niosą ładunek +2/3 podczas gdy kwarki d mają ładunek −1/3. Na przykład wszystkie cztery Delta mają różne opłaty (
Δ++
(uuu),
Δ+
(uud),
Δ0
(udd),
Δ
(ddd))), ale mają podobne masy (~1,232 MeV/c 2 ), ponieważ każdy z nich składa się z kombinacji trzech kwarków u lub d. W modelu izospinowym uważano je za pojedynczą cząstkę w różnych stanach naładowanych.

Matematyka izospinu była wzorowana na matematyce spinu. Projekcje izospinowe zmieniały się w przyrostach co 1, podobnie jak te dotyczące spinu, a każdemu z nich towarzyszył „ stan naładowany ”. Ponieważ „ cząstka delta ” miała cztery „naładowane stany”, mówiono, że ma ona izospin I  = 3/2. Jego „naładowane stany”
Δ++
,
Δ+
,
Δ0
, oraz
Δ
, odpowiadały rzutom izospinowym I 3  = +3/2, ja 3  = +1/2, Ja 3  = −1/2, a ja 3  = −3/2, odpowiednio. Innym przykładem jest „cząstka nukleonu”. Ponieważ istniały dwa „naładowane stany” nukleonu, mówiono, że jest to izospin1/2. Pozytywny nukleon
n+
(proton) został zidentyfikowany z I 3  = +1/2 i neutralny nukleon
n0
(neutron) z I 3  = −1/2. Później zauważono, że rzuty izospinowe były związane z zawartością kwarków górnych i dolnych w cząstkach zależnością:

gdzie n 's to liczba kwarków górnych i dolnych oraz antykwarków.

W „obrazie izospinowym” cztery delty i dwa nukleony uważano za różne stany dwóch cząstek. Jednak w modelu kwarkowym delty są różnymi stanami nukleonów (N ++ lub N są zabronione przez zasadę wykluczania Pauliego ). Isospin, choć przedstawia niedokładny obraz rzeczy, nadal jest używany do klasyfikowania barionów, co prowadzi do nienaturalnej i często mylącej nomenklatury.

Smakuj liczby kwantowe

Osobliwość smak liczbą kwantową S (nie mylić z wirowania) zauważono, aby przejść w górę i w dół wraz z masy cząstek. Im wyższa masa, tym mniejsza dziwność (im więcej kwarków). Cząstki można opisać rzutami izospinowymi (związanymi z ładunkiem) i dziwnością (masą) (patrz figury oktetu uds i decupletu po prawej). Gdy odkryto inne kwarki, nowe liczby kwantowe miały podobny opis oktetów i dekupletów udc i udb. Ponieważ tylko masy u i d są podobne, ten opis masy cząstki i ładunku w postaci liczb kwantowych izospinu i aromatu sprawdza się dobrze tylko dla oktetu i dekupletu złożonego z jednego kwarka u, jednego d i jednego innego, i rozkłada się na inne oktety i dekuplety (na przykład oktet ucb i dekuplet). Gdyby wszystkie kwarki miały taką samą masę, ich zachowanie nazwano by symetrycznymi , ponieważ wszystkie zachowywałyby się w ten sam sposób w oddziaływaniu silnym. Ponieważ kwarki nie mają tej samej masy, nie oddziałują w ten sam sposób (dokładnie tak, jak elektron umieszczony w polu elektrycznym przyspieszy bardziej niż proton umieszczony w tym samym polu ze względu na swoją lżejszą masę), a symetria jest powiedziana być złamanym .

Zauważono, że ładunek ( Q ) jest powiązany z rzutem izospinowym ( I 3 ), liczbą barionową ( B ) i liczbami kwantowymi smaku ( S , C , B ′, T ) wzorem Gell-Manna-Nishijimy :

gdzie S , C , B ′ i T reprezentują odpowiednio liczby kwantowe związane z obcością , urokiem , dołem i szczytem . Są one związane z liczbą kwarków dziwnych, powabnych, dolnych i górnych oraz antykwarków według zależności:

co oznacza, że ​​formuła Gell-Manna-Nishijimy jest równoważna wyrażeniu ładunku pod względem zawartości kwarków:

Spin, orbitalny moment pędu i całkowity moment pędu

Spin (liczba kwantowa S ) jest wielkością wektorową, która reprezentuje „wewnętrzny” moment pędu cząstki. Przychodzi w przyrostach1/2 ħ (wymawiane „h-bar”). ħ jest często odrzucane, ponieważ jest „podstawową” jednostką rotacji i sugeruje się, że „spin 1” oznacza „spin 1 ħ”. W niektórych układach jednostek naturalnych ħ jest wybierane jako 1 i dlatego nigdzie się nie pojawia.

Kwarki to fermionowe cząstki o spinie1/2( S  = 1/2). Ponieważ rzuty spinowe różnią się w przyrostach co 1 (czyli 1 ħ), pojedynczy kwark ma wektor spinowy o długości1/2i ma dwa rzuty spinowe ( S z  = +1/2oraz S z  = −1/2). Dwa kwarki mogą mieć wyrównane spiny, w takim przypadku dwa wektory spinowe dodają się, tworząc wektor o długości S  = 1 i trzy rzuty spinowe ( S z  = +1, S z  = 0 i S z  = −1). Jeśli dwa kwarki mają nieułożone spiny, wektory spinowe sumują się, tworząc wektor o długości S  = 0 i ma tylko jeden rzut spinu ( S z  = 0) itd. Ponieważ bariony składają się z trzech kwarków, ich wektory spinowe mogą utwórz wektor o długości S  = 3/2, który ma cztery rzuty spinowe ( S z  = +3/2, S z  = +1/2, S z  = −1/2, oraz S z  = −3/2) lub wektor o długości S  = 1/2z dwoma rzutami spinu ( S z  = +1/2, oraz S z  = −1/2).

Istnieje inna wielkość momentu pędu, zwana orbitalnym momentem pędu ( azymutalna liczba kwantowa L ), która występuje w przyrostach co 1 i reprezentuje moment kątowy spowodowany krążącymi wokół siebie kwarkami. Całkowity pęd kątowe ( całkowita liczba pędu kwantowa J ) cząstki, zatem połączenie wewnętrznej pędu (wirowanie) i orbitalnej pędu. Może przyjąć dowolną wartość z J = | LS | do J = | L + S | , w odstępach co 1.

Barionowe liczby kwantowe momentu pędu dla L = 0, 1, 2, 3
Spin,
S
Orbitalny moment
pędu, L
Całkowity moment
pędu, J
Parzystość ,
P
Skrócone
oznaczenie, J P
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

Fizyków cząstek elementarnych najbardziej interesują bariony bez orbitalnego momentu pędu ( L  = 0), ponieważ odpowiadają one stanom podstawowym — stanom o minimalnej energii. Dlatego dwie najbardziej badane grupy barionów to S  = 1/2; L  = 0 i S  = 3/2; L  = 0, co odpowiada J  = 1/2+ i J  = 3/2+ , chociaż nie są jedynymi. Możliwe jest również otrzymanie J  = 3/2+ cząstki z S  = 1/2i L  = 2, a także S  = 3/2i L  = 2. Zjawisko posiadania wielu cząstek w tej samej konfiguracji całkowitego momentu pędu nazywa się degeneracją . Jak odróżnić te zdegenerowane bariony jest aktywnym obszarem badań w spektroskopii barionów .

Parytet

Gdyby wszechświat odbijał się w lustrze, większość praw fizyki byłaby identyczna — rzeczy zachowywałyby się tak samo, niezależnie od tego, co nazywamy „lewą” i „prawą”. Ta koncepcja odbicia lustrzanego nazywana jest „ wewnętrzną parzystością ” lub po prostu „parzystością” ( P ). Grawitacja , siła elektromagnetyczna i oddziaływanie silne zachowują się w ten sam sposób, niezależnie od tego, czy wszechświat jest odbity w lustrze, a zatem mówi się, że zachowują parzystość (symetria P). Jednak słaba interakcja rozróżnia „lewe” od „prawe”, zjawisko zwane naruszeniem parzystości (p-naruszenie).

Na tej podstawie, gdyby funkcja falowa dla każdej cząstki (a dokładniej pole kwantowe dla każdego typu cząstki) była jednocześnie odwrócona lustrzanie, to nowy zestaw funkcji falowych doskonale spełniałby prawa fizyki (poza słabym oddziaływaniem). . Okazuje się, że nie jest to do końca prawdą: aby równania były spełnione, funkcje falowe niektórych typów cząstek muszą być pomnożone przez -1, oprócz odwrócenia lustrzanego. Mówi się, że takie typy cząstek mają parzystość ujemną lub nieparzystą ( P  = -1 lub alternatywnie P  = –), podczas gdy inne cząstki mają parzystość dodatnią lub parzystą ( P  = +1 lub alternatywnie P  = +).

W przypadku barionów parzystość związana jest z orbitalnym momentem pędu zależnością:

W konsekwencji bariony bez orbitalnego momentu pędu ( L  = 0) mają parzystość ( P  = +).

Nomenklatura

Bariony dzieli się na grupy według ich wartości izospinowych ( I ) i zawartości kwarków ( q ). Istnieje sześć grup barionów: nukleon (
n
), Delta (
Δ
), lambda (
Λ
), Sigma (
Σ
), Xi (
Ξ
) i Omega (
Ω
). Zasady klasyfikacji określa Particle Data Group . Zasady te uwzględniają w górę (
ty
), w dół (
D
) i dziwne (
s
) kwarki mają być światłem i urokiem (
C
), dół (
b
) i na górze (
T
) kwarki mają być ciężkie . Reguły obejmują wszystkie cząstki, które mogą powstać z trzech z każdego z sześciu kwarków, chociaż nie oczekuje się istnienia barionów zbudowanych z kwarków górnych ze względu na krótki czas życia kwarka górnego . Zasady nie obejmują pentakwarków.

  • Bariony z (dowolną kombinacją) trzech
    ty
    i/lub
    D
    kwarki są
    n
    s ( I =1/2) lub
    Δ
    bariony ( I =3/2).
  • Bariony zawierające dwa
    ty
    i/lub
    D
    kwarki są
    Λ
    bariony ( I = 0) lub
    Σ
    bariony ( I = 1). Jeśli trzeci kwark jest ciężki, jego tożsamość jest podana w indeksie dolnym.
  • Bariony zawierające jeden
    ty
    lub
    D
    kwark są
    Ξ
    bariony ( I =1/2). Jeden lub dwa indeksy dolne są używane, jeśli jeden lub oba pozostałe kwarki są ciężkie.
  • Bariony zawierające nie
    ty
    lub
    D
    kwarki są
    Ω
    bariony ( I = 0) i indeksy dolne wskazują zawartość ciężkich kwarków.
  • Bariony, które ulegają silnemu rozkładowi, mają swoje masy jako część swoich nazw. Na przykład Σ 0 nie zanika silnie, ale Δ ++ (1232) tak.

Powszechną (ale nie powszechną) praktyką jest również przestrzeganie pewnych dodatkowych zasad przy rozróżnianiu niektórych stanów, które w innym przypadku miałyby ten sam symbol.

  • Bariony w całkowitym momencie pędu J  = 3/2konfiguracja, która ma takie same symbole jak ich J  = 1/2 odpowiedniki są oznaczone gwiazdką (*).
  • Dwa bariony mogą być zbudowane z trzech różnych kwarków w J  = 1/2konfiguracja. W tym przypadku liczba pierwsza ( ′ ) służy do ich rozróżnienia.
    • Wyjątek : gdy dwa z trzech kwarków to jeden górny, a jeden dolny, jeden barion nazywa się Λ, a drugi Σ.

Kwarki niosą ładunek, więc poznanie ładunku cząstki pośrednio określa zawartość kwarków. Na przykład powyższe zasady mówią, że a
Λ+
c
zawiera kwark ac i pewną kombinację dwóch kwarków u i/lub d. Kwark c ma ładunek ( Q  = +2/3), dlatego pozostałe dwa muszą być kwarkiem ( Q  = +2/3) i kwark ad ( Q  = −1/3), aby mieć poprawny ładunek całkowity ( Q  = +1).

Zobacz też

Cytaty

Ogólne odniesienia

Zewnętrzne linki