Адроны состоят. Адроны

АДРОНЫ

АДРОНЫ

Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия . . 1983 .

АДРОНЫ

(от греч. hadros - большой, сильный; термин предложен Л. Б. Окунем в 1967) - частицы, участвующие в сильном взаимодействии. К А. относятся все барионы (в т. ч. - протон и ) и мезоны. А. обладают сохраняющимися в процессах сильного взаимодействия квантовыми числами: странностью, очарованием, красотой и др. Близкие по массе А., имеющие одинаковые значения указанных квантовых чисел, а также барионного числа и спина могут быть объединены в изотопические мулътиплеты, включающие в себя А. с разл. электрич. зарядами. Изо-топич. , отличающиеся только значением странности, могут быть, в свою очередь, объединены в более обширные группы частиц - супермультиплеты группы SU(3).

В свободном состоянии все А. (за исключением, возможно, протона) нестабильны. Те из них, к-рые распадаются благодаря сильному взаимодействию, имеют характерное порядка 10 -22 -10 -23 с и наз. резонансами (исключение - т. н. векторные мезоны со скрытым очарованием: или со скрытой красотой: , время жизни к-рых 10 -20 с). А., распадающиеся за счёт слабого или эл.-магн. взаимодействия, условно наз. стабильными, поскольку их время жизни на много порядков больше характерного времени сильного взаимодействия. К "стабильным" (в этом смысле) А., кроме нуклонов, относятся гипероны , барион , мезоны , очарованные мезоны D, F и др.

А. представляют собой составные системы. Большинство известных барионов состоит из трёх кварков, а мезоны - из кварка и антикварка (хотя возможны , имеющие в своём составе дополнит. пары кварк-антикварк, напр. мезоны из 2 кварков и 2 антикварков). Значения странности, очарования и др. подобных квантовых чисел А. определяются числом входящих в их состав странных ( я), очарованных ( с), красивых (6) и др. возможных типов (ароматов) кварков и соответствующих антикварков.

Лит. см. при ст. Сильное взаимодействие, Элементарные частицы . С. С. Герштейн.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "АДРОНЫ" в других словарях:

Современная энциклопедия

Адроны - (от греческого hadros большой, сильный), общее название элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях (смотри Взаимодействия фундаментальные). Адронами являются протоны, нейтроны, мезоны и др. Адроны состоят из кварков. Термин введен … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии (барионы и мезоны, включая все резонансы) … Большой Энциклопедический словарь

АДРОНЫ - обширный класс «тяжелых» элементарных (см.), участвующих во всех взаимодействиях, в т. ч. и в сильном (см.). А. сложные частицы вещества, которые напоминают ядра атомов, где вместо протонов и нейтронов содержатся (см.). К А. относятся (см.),… … Большая политехническая энциклопедия

Элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии (барионы и мезоны, включая все резонансы). * * * АДРОНЫ АДРОНЫ, элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии (см. СИЛЬНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ) (барионы (см. БАРИОНЫ) и мезоны (см … Энциклопедический словарь

- (гр. adros сильный) общее название амментарных частиц (барионов, включая все резонансы, и мезонов), подверженных сильному взаимодействию (это взаимодействие ответственно за устойчивость атомных ядер). Новый словарь иностранных слов. by EdwART,… … Словарь иностранных слов русского языка

адроны - hadronai statusas T sritis chemija apibrėžtis Stipriąja sąveika pasižyminčių elementariųjų dalelių klasė. atitikmenys: angl. hadrons rus. адроны … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Общее наименование для элементарных частиц, участвующих в сильных взаимодействиях (См. Сильные взаимодействия). В класс А. входят протон, нейтрон, гипероны, мезоны, а также все резонансные частицы (см. Элементарные частицы) … Большая советская энциклопедия

- (от греч. hadros большой, сильный) класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии, а также в слабом взаимодействии и в электромагнитном взаимодействии. К А. относят все барионы и мезоны, включая резанонсы, и соответствующие им… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии, к рое приводит к установлению прочной связи между нуклонами в ядрах (радиус взаимодействия ок. 10 13 см). К адронам относятся барионы и мезоны, включая резонансы … Естествознание. Энциклопедический словарь

Книги

• Комплект таблиц. Физика. Физика высоких энергий (12 таблиц) , . Учебный альбом из 12 листов. Артикул - 5-8675-012. Состав и размеры ядра. Энергия связи нуклонов в ядре. Естественная радиоактивность. Закон радиоактивного распада. Цепнаяядерная реакция.…

К середине шестидесятых годов XX столетия, когда наряду с протоном и нейтроном было открыто несколько десятков «элементарных» частиц, стало ясно, что эти «элементарные» частицы состоят из более фундаментальных частиц. В 1964 г. Независимо друг от друга М. Гелл-Манн и Д. Цвейг предложили составную кварковую модель адронов.
Кварки объединяются в частицы, называемые адронами . Термин «адрон» происходит от греческого «хадрос» – сильный и отражает свойство адронов участвовать в сильных взаимодействиях. Адроны – связанные системы кварков и антикварков. Адроны существуют двух типов – барионы и мезоны.

Рис. 11.1. Типы адронов и их кварковый состав.

Квантовые числа кварков, образующих адрон, определяют квантовые числа адронов. Адроны имеют определенные значения электрического заряда Q, спина J, чётности P, изоспина I. Квантовые числа s (странность), c (очарование или шарм), b (bottom) и t (top) разделяют адроны на обычные нестранные частицы (р, n, π, …), странные частицы (K, Λ, Σ, …), очарованные (D, Λ c , Σ c , …) и боттом-частицы (B, Λ b , Ξ b). t‑кварк имеет время жизни ≈ 10 -25 с, поэтому за такое короткое время он не успевает образовать адрон.
Всё многообразие адронов возникает в результате различных сочетаний u-, d-, s-, c-, b-кварков, образующих связанные состояния.
Квантовые характеристики кварков приведены в табл. 11.1. Каждый кварк имеет еще три цветные степени свободы (красный, синий, зеленый). Цветные степени свободы в таблице не указаны. Античастицы кварков – антикварки.

Таблица 11.1

Характеристики кварков

Характеристика	Тип кварка (аромат)
	d	u	s	c	b	t
Электрический заряд Q, в единицах е	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3	-1/3	+2/3
Барионное число B	+1/3
Спин J	1/2
Четность P	+1
Изоспин I	1/2		0
Проекция изоспина I 3	-1/2	+1/2	0
Странность s	0	0	-1	0	0	0
Очарование (charm) c	0	0	0	+1	0	0
Bottom b	0	0	0	0	-1	0
Top t	0	0	0	0	0	+1
	0.33	0.33	0.51	1.8	5	180
Масса токового кварка	4-8 МэВ	1.5-4 МэВ	80-130 МэВ	1.1-1.4 ГэВ	4.1-4.9 ГэВ	174±5 ГэВ

Квантовые характеристики антикварков приведены в табл. 11.2.

Таблица 11.2

Характеристики антикварков

Характеристика	Тип кварка (аромат)
	d	u	s	c	b	t
Электрический заряд Q, в единицах е	+1/3	-2/3	+1/3	-2/3	+1/3	-2/3
Барионное число B	-1/3
Спин J	1/2
Четность P	-1
Изоспин I	1/2		0
Проекция изоспина I 3	+1/2	-1/2	0
Странность s	0	0	+1	0	0	0
Очарование (charm) c	0	0	0	-1	0	0
Bottom b	0	0	0	0	+1	0
Top t	0	0	0	0	0	-1
Масса конституэнтного кварка mс 2 , ГэВ	0.33	0.33	0.51	1.8	5	180
Масса токового кварка	4-8 МэВ	1.5-4 МэВ	80-130 МэВ	1.1-1.4 ГэВ	4.1-4.9 ГэВ	174±5 ГэВ

Кварки не существуют в свободном состоянии, а заключены в кварковых системах – адронах. Поэтому им нельзя освободиться от взаимодействия с другими кварками, находящимися в том же объеме и связывающими их в адрон глюонами.
Барионное число B − квантовая характеристика частиц, отражающая установленный на опыте ещё до открытия кварков закон сохранения числа барионов. Так например, протон без нарушения законов сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда мог бы распасться на позитрон e + и γ-квант

или на положительно заряженный пион π + и γ-квант

Однако такие распады не наблюдаются. Это можно понять, приписав протону барионное число В = +1 и считать, что все частицы, состоящие из трёх кварков, имеют барионное число, равное плюс единице. Мезоны имеют барионное число В = 0. Антибарионы имеют барионное число В = -1. Лептоны имеют барионное число В = 0.
Все имеющиеся опытные данные свидетельствуют о существовании закона сохранения барионного числа (заряда) или закона сохранения числа барионов:

Барионное число является аддитивным квантовым числом. Барионные числа адронов – следствие их кварковой структуры. Кваркам приписывают барионное число В = +1/3, а антикваркам В = -1/3. Тогда все частицы, состоящие из трех кварков (барионы), будут иметь барионное число В = +1, частицы из трех антикварков (антибарионы) − B = -1, а частицы из кварка и антикварка (мезоны) − B = 0.
В отличие от точечных кварков, адроны протяжённые объекты, т. е. имеют размер (≈ 1 Фм). Среднеквадратичные зарядовые радиусы протона p, пиона π и каона K

дают представление о размерах этих адронов.

Ф. Вилчек: «Кварки рождаются свободными, но встречаются только связанными… В начале двадцатого века, после пионерских экспериментов Резерфорда, Гейгера и Марсдена, физики открыли, что большая часть массы и весь положительный заряд внутри атома сконцентрированы в крошечных ядрах. В 1932 г. Чедвик открыл нейтроны, которые вместе с протонами могли бы рассматриваться как составляющие атомного ядра. Однако известных тогда сил гравитации и электромагнетизма было недостаточно, для того чтобы связать протоны и нейтроны в такие малые объекты, как наблюдаемые ядра. Физики столкнулись с новым видом взаимодействия, самым сильным в природе. Объяснение этой новой силы стало основной задачей теоретической физики.
Для решения указанной проблемы физики в течение многих лет собирали данные, полученные, в основном, из изучения результатов столкновений протонов и нейтронов. Однако результаты этих исследований оказывались громоздкими и сложными.
Если бы частицы в указанных экспериментах были фундаментальными (неделимыми), то после их столкновения следовало бы ожидать те же частицы, только выходящие по измененным траекториям. Вместо этого на выходе, после столкновения, часто оказывалось множество частиц. Конечное состояние могло содержать как несколько копий исходных частиц, так и другие частицы. Многие новые частицы были открыты именно таким образом. Несмотря на то, что эти частицы, называемые адронами, были нестабильны, их свойства были очень схожи со свойствами нейтронов и протонов. Тогда характер исследования изменился. Уже не казалось естественным полагать, что речь идет просто об изучении новой силы, связывающей протоны и нейтроны в атомные ядра. Скорее, открылся новый мир явлений. Этот мир состоял из множества новых неожиданных частиц, преобразующихся друг в друга удивительно большим количеством способов. Отражением изменения во взглядах стало и изменение в терминологии.
Вместо ядерных сил физики стали говорить о сильном взаимодействии.
В начале 1960-х годов Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг совершили огромный прорыв в теории сильного взаимодействия, предложив концепцию кварков. Если вы представите, что адроны не являются фундаментальными частицами, а состоят из некоторого числа неделимых кварков, то все становится на свои места. Десятки наблюдаемых адронов, по крайней мере в грубом приближении, можно объяснить различными возможными способами соединений всего трех типов («ароматов») кварков. Один и тот же набор кварков может иметь различные пространственные орбиты и разнообразные спиновые конфигурации. Энергия такой системы будет зависеть от всех этих факторов, и таким образом получатся состояния с разными энергиями, соответствующие частицам с разными массами, согласно формуле m = E/c 2 . Это аналогично тому, как спектр возбужденных состояний в атоме мы понимаем как проявление различных орбит и спиновых конфигураций электронов. (Правда, энергии взаимодействия электронов в атомах относительно малы, и влияние этих энергий на полную массу атома незначительно.)
Тем не менее, правила использования кварков для описания реалистических моделей казались довольно странными и непонятными.
Предполагалось, что кварки едва ли чувствуют присутствие друг друга, когда находятся рядом, но если вы попытаетесь их изолировать друг от друга, то обнаружите, что это невозможно. Усиленные попытки найти изолированный кварк успехом так и не увенчались. Наблюдаемыми оказались только связанные состояния кварка с антикварком (мезоны) и трех кварков (барионы). Этот принцип, выведенный из экспериментальных наблюдений, назвали конфайнментом. Однако возвышенное название не сделало само явление менее таинственным.
Была у кварков и еще одна примечательная особенность. Предполагалось, что их электрические заряды являются дробными (1/3 или 2/3) по отношению к основному единичному заряду, например, электрона или протона. Все остальные наблюдаемые заряды известны с большой точностью и кратны основному. Кроме того, тождественные кварки не подчиняются обычным правилам квантовой статистики. Эти правила требуют, чтобы кварки, как частицы со спином 1/2, были фермионами с антисимметричными волновыми функциями (если не учитывать цветовую симметрию). Однако наблюдаемые данные о барионах не могут быть объяснены с помощью антисимметричных волновых функций они должны быть симметричными.
Атмосфера таинственности вокруг свойств кварков еще более сгущалась, когда Дж. Фридман. Г.Кендалл, Р. Тейлор и их коллеги на линейном ускорителе в Стэнфорде (SLAC) направили фотоны с высокой энергией на прогоны и обнаружили внутри нечто вроде кварков. Неожиданным было то. что при сильных столкновениях кварки двигаются (точнее, переносят энергию и импульс) так, как если бы они были свободными частицами. До этого эксперимента большинство физиков предполагало, что каким бы ни было сильное взаимодействие кварков, оно должно заставить кварки обильно излучать энергию, и, следовательно, после резкого ускорения энергия движения должна быстро рассеиваться» .

Некоторые барионы

Частица	Кварковая структура	Масса mc 2 , МэВ	Время жизни t (сек) или ширина Г	Спин-четность, изоспин J P (I)	Основные моды распада
p	uud	938.27	>10 32 лет	1/2 + (1/2)
n	udd	939.57	885.7±0.8	1/2 + (1/2)	pe - e
Λ	uds	1116	2.6×10 -10	1/2 + (0)	pπ - , nπ 0
Σ +	uus	1189	0.80×10 -10	1/2 + (1)	pπ 0 , nπ +
Σ 0	uds	1193	7.4×10 -20	1/2 + (1)	Λγ
Σ -	dds	1197	1.5×10 -10	1/2 + (1)	nπ -
Ξ 0	uss	1315	2.9×10 -10	1/2 + (1/2)	Λπ 0
Ξ -	dss	1321	1.6×10 -10	1/2 + (1/2)	Λπ -
Δ ++	uuu	1230-1234	115-125 МэВ	3/2 + (3/2)	(n или p) + p
Δ +	uud
Δ 0	udd
Δ +	ddd
Σ(1385) +	uus	1383	36 МэВ	3/2 + (1)	Λπ, Σπ
Σ(1385) 0	uds	1384	36 МэВ
Σ(1385) -	dds	1387	39 МэВ
Ξ(1530) 0	uss	1532	9.1 МэВ	3/2 + (1/2)	Ξπ
Ξ(1530) -	dss	1535	9.9 МэВ
Ω -	sss	1672	0.82×10 -10	3/2 + (0)	ΛK - , Ξ 0 π -
N(1440) +	uud	1430-1470	250-450 МэВ	1/2 + (1/2)	n(π)+p(2π), Δπ
N(1440) 0	udd
N(1520) +	uud	1515-1530	110-135 МэВ	3/2 - (1/2)	n(π)+p(2π), Δπ
N(1520) 0	udd
	udc	2285	2.0×10 -13	1/2 + (0)	(n или p)+др.
Σ c (2455) ++	uuc	2453	2.2 МэВ	1/2 + (1)	π
Σ c (2455) +	udc	2451	< 4.6 МэВ
Σ c (2455) 0	ddc	2452	2.2 МэВ
	udb	5620	1.4×10 -13	1/2 + (0)	e -
	usb	5792	1.4×10 -12	1/2 + (1/2)	Ξ - e - X

Некоторые мезоны

Частица	Кварковая структура	Масса mc 2 , МэВ	Время жизни t (сек) или ширина Г	Спин-четность, изоспин J P (I)	Основные моды распада
π +	u	139.57	2.6×10 -8	0 - (1)	ν μ μ +
π -	d				μ μ -
π 0	u - d	134.98	8.4×10 -17		2γ
K +	u	494	1.2×10 -8	0 - (1/2)	ν μ μ + , π 0 π +
K -	s				μ μ - , π 0 π -
K 0	d	498	8.9×10 -11	0 - (1/2)	π + π - , π 0 π 0
K 0	s		5.2×10 -8		πeν, πμν, 3π
η	u + d - 2s	548	1.29 кэВ	0 - (0)	2γ, 3π
η"	u + d + s	958	0.20 МэВ	0 - (0)	η2π, ρ 0 γ
ρ +	u	776	150 МэВ	1 - (1)	ππ
ρ -	d				ππ
ρ 0	u - d	776	150 МэВ		ππ
ω	u + d	783	8.5 МэВ	1 - (0)	3π
¢	s	1019	4.3 МэВ	1 - (0)	K + K - ,
D +	c	1869	1.0×10 -12	0 - (1/2)	K+др., e+др., μ+др.
D -	d				K+др., e+др., μ+др.
D 0	c		4.1×10 -13	0 - (1/2)	K+др., e+др., μ+др.
D 0	u				K+др., e+др., μ+др.
	c	1968	4.9×10 -13	0 - (0)	K+др.
	s				K+др.
B +	u	5279	1.7×10 -12	0 - (1/2)	D+др., D * +др., ν+др.
B -	b				D+др., D * +др., ν+др.
B 0	d	5279	1.5×10 -12	0 - (1/2)	D+др., D * +др., ν+др.
B 0	b				D+др., D * +др., ν+др.
J/ψ	c	3097	91 кэВ	1 - (0)	адроны, 2e, 2μ
Y	b	9460	53 кэВ	1 - (0)	τ + τ-, μ + μ-, e + e-

Кварки, образующие адроны, могут находиться в состояниях с различными орбитальными моментами l q и в состояниях с различными значениями радиального квантового числа n. Так как кварк имеет положительную чётность, а антикварк - отрицательную, чётности барионов, антибарионов и мезонов определяются соотношениями

где L - результирующий орбитальный момент кварков в адроне.
Аналогичным образом можно получить формулу для чётности мезона/антимезона:

Спины кварков могут быть ориентированы различным образом. Поэтому для одной и той же кварковой комбинации допустимы различные значения полного момента и чётности J P . Энергия (масса) фиксированной кварковой комбинации зависит от J P и других квантовых чисел, таких как изоспин, т. е. для каждой кварковой комбинации получается набор энергий (масс). Такова суть спектроскопии адронов, которая по существу не отличается от атомной или ядерной спектроскопии. Отличие в атоме состоит в том, что если в атоме (или в ядре) с определённым внутренним составом частиц изменяется энергия и квантовые числа, то это означает переход в другое состояние этого же атома (ядра). В физике адронов изменение энергии (массы) и квантовых чисел фиксированной кварковой комбинации означает переход к другой частице.

Адроны - бесцветные образования цветных кварков

Почему существует столь ограниченный набор связанных кварковых структур - трёхкварковые и кварк-антикварковые состояния? Для ответа на этот вопрос нужно пояснить понятие бесцветного состояния . Кварковая модель в своем первоначаль­ном варианте не содержала понятия «цвет». Исходная модель смогла представить все многочисленное семейство адронов всего лишь в виде трех кварковых комбинаций − qqq (барионы), (антибарионы) и q (мезоны). Однако оставалось неясным, почему других комбинаций кварков, например, qq, qq, q, qqqq, qq, q и т.д. в природе нет, да и сами отдельные кварки не наблюдаются. Кроме того, были известны барионы из трех тождественных кварков – uuu (Δ ++ -резонанс), ddd (Δ - ‑резонанс), sss (Ω - -гиперон), в которых кварки находились в одинаковых квантовых состояниях, что противоречило принципу Паули. Все эти трудности начального варианта кварковой модели снимались введением для кварков еще одного квантового числа, названного цветом . Это квантовое число должно было иметь три возможных значения с тем, чтобы можно было восстановить принцип Паули для барионов, построенных из трех кварков одинакового аромата. Эти три возможных значения цвета – красный (к), зеленый (з) и синий (с) – можно рассматривать как три проекции своеобразного цветового спина в трехмерном цветовом пространстве (с осями К, З. С).
С введением цвета Δ ++ -резонанс, например, можно представить как комбинацию трех u-кварков в разных цветовых состояниях: Δ ++ = u к u з u с. Это означало, что принцип Паули справедлив и в физике адронов. Однако, ограничиться только трехзначностью цвета было невозможно. Оставалась ещё одна проблема. Если u к u з u с - это единственный вариант Δ ++ ‑резонанса, то для протона можно предложить несколько кандидатов, не нарушая принципа Паули: u к u з d с, u к u з d з, u с u к d к и т. д. Но существует только одно протонное состояние и введение нового квантового числа «цвет» не должно увеличивать число наблюдаемых состояний.
Выходом из этой ситуации явилось принятие постулата о бесцветности наблюдаемых квантовых состояний адронов. Бесцветность адронов означает, что в них кварки разного цвета представлены с равными весами. О таких бесцветных состояниях говорят как о цветовых синглетах. Они инвариантны относительно преобразований в трехмерном цветовом пространстве. Если цветовой индекс кварка принимает три значения α = 1, 2, 3, то такие преобразования имеют вид

при условии ортонормированности цветовых состояний

где (*) означает комплексное сопряжение, а δ βγ − символ Кронекера.
В отличие от цветных кварков, их наблюдаемые комбинации − адроны − всегда бесцветны. В них все кварковые цвета представлены с одинаковыми весами. В этом состоит аналогия между цветом в оптике ик вантовым числом цвет. В обоих случаях равномерная смесь трёх базовых цветов дает бесцветную (белую) комбинацию.
Рассмотрим вопрос о том, как цветовые степени свободы кварков должны быть учтены в волновых функциях адронов Y. Поскольку эти степени свободы не зависят от других кварковых степеней свободы – пространственных координат, спина и аромата, то цветовая часть полной волновой функции адрона может быть выделена в виде множителя ψ color:

Ψ = ψ color Ф,

где Ф − часть волновой функции адрона, куда входят пространственные (space ), спиновые (spin ) и ароматовые (flavor ) степени свободы кварков. Установим вид ψ color . Он различен для мезонов и барионов.
Кварковая структура мезонов q. Для того, чтобы мезон был бесцветным, все возможные цвета кварка (антикварка) в нём должны быть представлены с одинаковым весом, что дает цветовую структуру мезона ~ (k+з +с ). Поэтому, независимо от типа (кваркового состава) мезона цветовая часть его волновой функции с учетом нормировки имеет вид

При установлении вида цветовой волновой функции бариона необходимо учесть принцип Паули. В состав бариона могут входить тождественные кварки, а, поскольку кварки являются фермионами, то в таких барионах эти кварки не должны находиться в одинаковых квантовых состояниях. В случае мезонов такого ограничения нет, так как они содержат только различные частицы - кварк и антикварк. Это означает, что волновая функция бариона, содержащего кварки одинакового аромата, должна быть антисимметричной при перестановке этих кварков.

Рассмотрим ситуацию на примере Δ ++ -резонанса, состоящего из трёх u-кварков. Его спин-чётность J P = 3/2 + . Эксперименты показали, что его волновая функция симметрична по пространственным координатам кварков и не имеет узлов. Следовательно, орбитальный момент кварков L = 0 и полный момент J P = 3/2 целиком обусловлен спинами кварков, направленными в одну сторону (). Такое спиновое состояние симметрично. Следовательно, пространственно-спиново-ароматовая волновая функция Δ ++ -резонанса F симметрична по этим трём переменным. Как показывает опыт это утверждение справедливо для всех барионов, т. е. все барионы имеют волновые функции, полностью симметричные к одновременной перестановке пространственных координат, спинов и ароматов любых двух кварков. Для того чтобы быть антисимметричной в целом, полная волновая функция Y любого бариона должна содержать антисимметричную цветовую функцию ψ color . Нормированная антисимметричная цветовая волновая функция бариона имеет вид

Такая цветовая функция автоматически обеспечивает выполнение принципа Паули, запрещающего существование бариона, содержащего кварки одного и того же аромата в полностью одинаковых квантовых состояних. Ароматово-цветовая волновая функция Δ ++ -резонанса имеет вид

Требуемая антисимметризация волновой функции Δ ++ -резонанса получена. Она антисимметрична по цвету, симметрична по пространственным координатам (орбитальные моменты кварков нулевые) и спинам (). Таким образом, волновая функция Δ ++ -резонанса Y антисимметрична в целом, как и должно быть для систем, содержащих тождественные фермионы. Легко проверить выполнение принципа Паули для этого состояния. Пусть зелёный u-кварк стал красным: u з → u к. Тогда в Δ ++ ‑резонансе имеем два красных u-кварка в одном и том же состоянии. При этом волновая функция Δ ++ -резонанса обращается в нуль.

Адронами называются элементарные частицы, которые могут участвовать и реально участвуют в сильном взаимодействии. Все они подвержены также электромагнитному, слабому и гравитационному взаимодействиям. Класс адронов самый многочисленный: он насчитывает более 300 частиц (если считать и античастицы). , согласно современным воззрениям, являются составными частицами. Первым косвенным указанием на это может служить хотя бы то, что их очень много - несколько сотен. Далее, большинство адронов являются резонансами - крайне нестабильными частицами. Но, главное, у адронов была обнаружена внутренняя структура. Уже из результатов опытов по упругому рассеянию электронов на нуклонах, проведенных в 50-60-е годы, следовало, что радиусы протона и нейтрона отличны от нуля. Конечно, непосредственно измерить эти радиусы не возможно, имеются в виду среднеквадратичные радиусы распределения электрического заряда и магнитного момента в этих частицах.

R N =0,8·10 -15 м.

При этом электрический заряд и магнитный момент распределены в них неравномерно: они спадают от центра к периферии по экспоненциальному закону (у нейтрона распределение электрического заряда отсутствует). Так, плотность электрического заряда протона хорошо описывается следующей экспериментально найденной формулой:

g(r) =e ·3,06exp(-4,25r) .

Более того, опыты по неупругому рассеянию электронов на нуклонах, проведённые в 60-70-е годы, выявили зернистую («партонную») структуру протона и нейтрона.

состоят из кварков . комбинируются таким образом, что их дробные заряды в сумме дают целый заряд адрона, т.е. адроны не имеют цветового заряда, хотя его имеют кварки. Все адроны, за исключением протона, - нестабильны, т.е. распадаются на другие частицы. Например, нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино; K-мезон распадается на два пи-мезона, которые далее распадаются на мюон и нейтрино и т.д.

Различают стабильные (точнее, мета-стабильные) адроны со средними временами жизни T>10 -23 с и резонансы, времена жизни которых T~10 -24 -10 -23 с. Самой характерной особенностью резонансов является то, что они распадаются в результате сильного взаимодействия, тогда как распады «стабильных» адронов обусловлены гораздо менее интенсивными взаимодействиями, главным образом слабым, иногда электромагнитным. Данное свойство резонансов может служить наиболее адекватным их определением.

Адроны подразделяются на барионы и мезоны.

Адроны, имеющие полуцелые спины, называют барионами; адроны, обладающие целыми спинами, называют мезонами.

Мезоны (от греч. m esos - средний ) состоят из одного кварка и одного антикварка. Например, такой мезон, как пион (π + ), имеет структуру ud (т.е. состоит из одного u -кварка и одного d -антикварка). Аналогично антипион (p - ) имеет совсем другую структуру du (т.е. состоит из одного u -антикварка и одного d -кварка). Мезоны относятся к бозонам, т.е. к переносчикам взаимодействий (см. стандартная модель).

Поскольку мезон состоит из частицы и античастицы, то он очень нестабилен. Однако такой мезон, как каон (K ), имеет гораздо большую продолжительность жизни по сравнению с остальными мезонами, и потому входящий в него кварк назвали странным (strange).

Таким образом, бывают стабильные мезоны и стабильные барионы, а также мезонные резонансы и барионные резонансы. Для характеристики этого различия вводят физическую величину, аналогичную лептонному заряду - барионный заряд.

Барионный заряд.

По определению, у всех барионов В = + 1, у всех антибарионов В= - 1, у всех прочих частиц (в том числе у мезонов) В = 0. Пока считается, что барионный заряд сохраняется во всех взаимодействиях. Этим обусловлена, в частности, стабильность протона - самого легкого бариона. Все мезоны и барионы подразделяются на «обычные», «странные», «очарованные» и «прелестные». Заметим, что «прелестные» барионы ещё не зарегистрированы, хотя нет никаких сомнений в том, что они существуют. Кроме того, предсказывается новый класс «истинных» частиц с весьма большими массами.

Помимо пространственно-временных симметрий в мире частиц действуют симметрии иной природы, называемые внутренними или динамическими симметриями. Они позволяют, например, классифицировать всё многообразие адронов.

Пояснить, что такое внутренняя симметрия, лучше всего на конкретном примере. Рассмотрим два легчайших бариона - протон и нейтрон. Массы частиц очень близки: m p = 938,2 МэВ , m n = 939,5 МэВ . Заряд протона Q = +1 , заряд нейтрона Q = 0 . Как показывают эксперименты, в реакциях сильного взаимодействия обе частицы ведут себя одинаково. Если не учитывать электромагнитный заряд, то во всём остальном они неразличимы. В ядерном мире протон и нейтрон выступают как единая частица - нуклон, который может находиться в двух разных состояниях, протонном и нейтронном.

«Взаимозаменяемость» протона и нейтрона в реакциях сильных взаимодействий можно математически описать как симметрию по отношению к вращениям в некотором гипотетическом (не имеющем ничего общего с обычным) трёхмерном пространстве, получившем название изотопического пространства. Как электрон со спином ½ способен находиться в двух состояниях с проекциями спина на избранное направление (ось квантования) ½ или -½, так и протон с нейтроном могут считаться состояниями одной частицы (нуклона N), наделённой новым квантовым числом - изотопическим спином T= ½ , но с разными проекциями: Tз = ½ и Tз = -½ (понятие изотопического спина ввёл в 1940 г. В. Гейзенберг). Неразличимость протона и нейтрона теперь выражается как инвариантность уравнений теории сильных взаимодействий относительно «вращений» в изотопическом пространстве. Или, другими словами, тождественность протона и нейтрона по отношению к сильному взаимодействию находит свое конкретное выражение в свойстве зарядовой независимости ядерных сил: они одинаковы для систем р - р, п - п, р - п .

Все адроны распределяются по небольшим семействам - изомультиплетам. Сильное взаимодействие отдельных их членов одинаково, а различаются они только своим отношением к электромагнитному и слабому взаимодействиям. Если бы два последних взаимодействия удалось бы не учитывать, то члены одного изомультиплета стали бы тождественными, неразличимыми частицами. Характерный внешний признак принадлежности частиц к одному изомультиплету - приближенное равенство их масс при разных значениях электрического заряда. Считается, что небольшие различия в массах возникают как раз вследствие электромагнитного взаимодействия. Самый известный пример изомультиплета дает нуклонный изодублет N , содержащий протон р и нейтрон п , на примере которого мы и провели первоначальное пояснение.

Математический аппарат, с помощью которого описываются разные изомультиплеты и отдельные их члены, почти идентичен аппарату, созданному для описания обычного спина и разных спиновых состояний данной частицы. Изомультиплету в целом приписывается изоспин T , который определяет число его членов по формуле:

N=2T+1 . ()

У частицы с обычным спином J имеется 2J + 1 спиновых состояний, различающихся проекциями спина J 3 . По аналогии с этим вводится проекция изоспина T з , значениями которой различаются отдельные члены изомультиплета (хотя здесь никакие наглядные геометрические образы непригодны). Величина T з пробегает значения от -T до T через единицу в порядке возрастания электрического заряда. Приведем два простых примера. Для нуклона N = 2 (р, п) , а поэтому T=½ , у нейтрона T з =-½ протона T з =+ ½ . Для пиона N = 3 (л + , л 0 , л -) , и поэтому Т= 1 ; у л - -мезона T з = - 1 , у л 0 -мезона T з = 0 , у л + -мезона Т з =+1 .

В сильном взаимодействии изоспин сохраняется. Заметим только, что свойство зарядовой независимости ядерных сил является частным следствием закона сохранения изоспина. Электромагнитное взаимодействие делает члены данного изомультиплета уже различными, и поэтому в процессах, им обусловленных, изоспин не сохраняется. Не сохраняется он и в слабом взаимодействии.

Странность (strange).

Прежде всего следует напомнить, что адроны, в состав которых входят того или иного аромата, становятся обладателями соответствующего квантового числа, другими словами, в составе рассматриваемых ниже странных частиц содержится странный кварк.

Первоначально из адронов были известны только частицы N и л. Электрические заряды этих «обычных» частиц могут быть вычислены по формуле q = T 3 +½B, (1) .

Но для «странных» частиц, открытых в 50-е годы, данная формула уже не справедлива. Так, у K + -мезона q= +1 , в то время, как Тз= +½, B=0 . Всем этим частицам приписывается новое квантовое число - странность S. Оно вводится так, чтобы для странных частиц выполнялось соотношение Гелл-Манна-Нишиджимы q = T 3 +½(B+S), (2) , обобщающее предыдущую формулу. По сути дела, соотношение рассматривается в настоящее время просто как определение странности, позволяющее находить её значения для конкретных частиц. Так, у «обычных» частиц S = 0 , а из последнего примера сразу ясно, что K + -мезону следует приписать странность S= + 1 .

Считается, что странность сохраняется в сильном (и электромагнитном) взаимодействии, но не сохраняется в слабом взаимодействии. В более строгом смысле в физике элементарных частиц существуют т.н. правила отбора , одно из них применительно к свойству странности формулируется так: суммы странностей частиц в начале и конце реакции сильного взаимодействия одинаковы.

Этим сразу объясняется весьма необычное свойство странных частиц, из-за которого они главным образом и получили свое название: рождаются эти частицы всегда парами, причем быстро - за время т~10 -23 с, а распадаются поодиночке и медленно - за время т~ 10 -10 -т~ 10 -8 с. Дело в том, что в космическом излучении «странные» частицы генерируются при соударении «обычных» адронов N и л с S=0 и в результате сильного взаимодействия (отсюда малые времена). Так как в начальном состоянии S = 0 , то и в конечном состоянии полная странность равна нулю. А это значит, что если образовалась какая-то одна частица с S не равной О , то обязана образоваться и другая частица с противоположным значением S . Распадаться же «странные» частицы за счёт сильного взаимодействия не могут, так как в конечном итоге они превращаются в «обычные» частицы. Их распады обусловлены слабым взаимодействием, не сохраняющим странность, откуда относительно большие времена жизни.

В 70-е годы были открыты очарованные частицы, для которых оказалось несправедливым и соотношение (2) . Им приписали новое квантовое число - очарование С , введение которого обобщает соотношение Гелл-Манна-Нишиджимы q = T 3 +½(B+S+C), (3) .

Очарование подчиняется таким же законам сохранения, что и странность. После открытия прелестных частиц возникла необходимость во введении прелести Ь . q = T 3 +½(B+S+C-b), (4) . (знак минус введен по причинам достаточно случайного характера).

Для «истинных» частиц, если их откроют, необходимо ввести ещё одно квантовое число - истинность (?) .

Итак, мы видим, что для описания всего многообразия адронов приходится использовать большое количество весьма необычных физических величин (причём мы перечислили не все из них). Их глубокий смысл в том, что все эти величины подчиняются определенным законам сохранения, позволяющим устанавливать правила отбора, которые запрещают или разрешают протекание тех или иных превращений частиц. Из сказанного ясно, что фундаментальные взаимодействия различаются, наряду с прочими характеристиками, также свойственными им законами сохранения.

Каждый человек слышал об атомах и о том, что эти маленькие частички вещества составляют окружающую нас материю. Однако не все люди знают, что атом не является элементарным "кирпичиком" мироздания. Что им является? Однозначного ответа пока нет. Тем не менее рассмотрение вопроса, что это - адрон, поможет прояснить проблему.

Окружающая материя и ее структура

Вопрос, что это - адрон, начнем рассматривать "сверху". Все вещество, с которым человек сталкивается каждый день, которое может пощупать, оценить его цвет и другие свойства, состоит из совокупностей молекул и атомов. Последние, в свою очередь, образованы электронами и ядрами. Этот факт был установлен приблизительно век назад благодаря работам Эрнеста Резерфорда.

Теперь оставим без внимания электрон и рассмотрим атомное ядро. Как известно, оно образовано двумя видами частиц: нейтронами и протонами. И здесь мы, наконец, докопались до сути, поскольку нейтрон и протон - это адроны.

Понятие об адроне

В общем случае адрон - это частица, которая образована кварками и может принимать участие в сильных взаимодействиях. Это определение звучит не совсем понятно, поскольку необходимо знать, что собой представляют кварки и сильные поля, что будет рассмотрено ниже. Каково значение слова "адрон"? Оно имеет греческий корень и переводится как "массивный, плотный". То есть речь идет о плотной частице материи, имеющей большую массу.

Как было сказано выше, адронами являются протон и нейтрон, каждый из них состоит из трех кварков.

Что такое кварк?

Ближе к середине XX века физики со всего мира в различных экспериментах начали наблюдать все новые и новые "элементарные" частицы. Эксперименты сначала ограничивались изучением естественной радиоактивности некоторых химических элементов, а затем были построены первые ускорители частиц, которые позволили сталкивать их высокоэнергетические пучки, что увеличило значительно число частиц. Последние имели разный заряд, спин, массу, время жизни и по-разному вели себя в различных взаимодействиях (слабых, сильных, электромагнитных).

Весь этот огромный пласт информации привел к тому, что необходима была теория, которая бы собрала воедино все частицы. Такой теоретической догадкой стал кварк. Это название впервые использовал Марри Гелл-Ман, американский физик, в 1963 году. Любопытно отметить, что слово "кварк" он подсмотрел в одном из литературных произведений, оно означало имитацию крика чаек.

Благодаря введению нового "кирпичика" в физику элементарных частиц все обнаруженные сгустки материи стройно легли в рамки новой концепции. Отметим, что кварками образованы только адроны, такие частицы, как нейтрино или электрон, относятся к классу лептонов, они считаются элементарными, и кварки к ним не имеют никакого отношения.

Сколько кварков существует и какими характеристиками они описываются?

Адроны состоят из кварков. Но что представляет собой кварк? Это некий реальный объект, размер которого находится в пределах 10 -18 -10 -15 метра. Существует 3 поколения кварков, которые отличаются друг от друга вкусом. В действительности только первое поколение кварков участвует в образовании стабильных адронов. Два других поколения обладают большой массой (энергией), поэтому быстро переходят в "базовые" кварки.

К первому поколению относятся всего две частицы: u или верхний и d или нижний кварки. Отличаются они изоспином (u имеет +1/2, d имеет -1/2), зарядом и массой. Спин приведем специально, чтобы показать, что речь идет о фермионах, поведение которых при высоких плотностях материи отличается от бозонов (целочисленный спин). Примером последних могут быть фотоны, глюоны и любые другие "переносчики" взаимодействия.

Скажем два слова о вкусе и цвете кварков, чтобы не держать читателей в недоумении. Вкус - это совокупность свойств (изоспин, "странность", "чудесность", "дно", "вершина") кварка, которая обуславливает тип его взаимодействия с бозонами Z и W, то есть определяет характер перехода между кварками (слабые взаимодействия). Вкус частиц u и d определяется исключительно изоспином.

Что касается цвета, то это совершенно иное свойство кварков как, например, их электрический заряд или масса. С привычным нам всем словом "цвет" оно, естественно, не имеет никакой физической связи, а названо было так потому, что может принимать одно из 3 значений ("синий", "красный", "зеленый"). Цвет связан с трехмерностью пространства. Грубо можно сказать, что цвет - это вектор, направленный в одном из 3 направлений (x, y, z). Введение цвета для кварков позволило объяснить, почему они могут находиться в одном состоянии (принцип запрета Паули, которому следуют все фермионы).

Если учитывать упомянутых два кварка (u, d), а также то, что каждый из них может иметь один из 3 цветов, то получаем 6 разных "кирпичиков" для построения адронов. Это число нужно умножить на 2, поскольку для каждого из них имеется его античастица.

Классификация адронов

Когда читатель познакомился со значением слова "адрон" и с понятием о кварках, можно привести общепринятую классификацию элементарных частиц. Итак, все они делятся на два больших класса: адроны и лептоны.

Адроны представлены барионами и мезонами. Первые образованы тремя кварками или тремя аникварками, вторые - это совокупность всего 2 частиц: кварк-антикварк, поэтому все мезоны (пионы, каоны) имеют маленькое время жизни и аннигилируют быстро. Барионы - это стабильные частицы-адроны, имеющие получисленный спин (фермионы). Протон и нейтрон - яркие представители барионов, их часто называют нуклонами, поскольку они образуют атомные ядра.

Таким образом, значение адронов во Вселенной велико, ведь вся окружающая нас материя является барионно-лептонной (электрон - это лептон). Однако современная наука подошла к порогу открытия иного вида вещества, то есть не барионно-лептонного (темная материя, вещество черных дыр).

Нуклоны: протон и нейтрон

Эти элементарные частицы-адроны образованы 2 типами кварков: u и d. Состав протона описывается, как u-u-d, нейтрона - u-d-d. В них кварки связаны сильными взаимодействиями, носителями которых являются глюоны. Чем дальше кварки находятся друг от друга, тем сильнее возрастают силы их притяжения. Этот факт объясняет, что отдельный кварк в природе обнаружить не удается.

Что касается массы протона и нейтрона, то определить ее простым суммированием трех кварков нельзя, поскольку она намного больше этой суммы. Дело в том, что вклад в массу этих адронов оказывает не только кварк в покое, но и в движении (кинетическая энергия).

Протон и нейтрон могут переходить друг в друга в результате слабых взаимодействий, ведущих к превращению между кварками u и d.

Заметим, что как кварки в адронах, так и адроны между собой взаимодействуют посредством одного и того же механизма - глюонового поля.

Современное состояние физики элементарных частиц

Кварки появились в физической теории в начале 1960-х годов, а уже в 1970-х было выдвинуто предположение, что они тоже не являются элементарными "кирпичиками" и состоят из так называемых преонов. Последние еще не открыты, однако, если такое произойдет, то это должно существенно упростить существующую теорию элементарного мира.

Помимо проблемы выше, остается еще ряд нерешенных вопросов:

• описание гравитации и темной материи не укладывается в стандартную модель Вселенной;
• почему три кварка в протоне дают точный по модулю заряд элементарной частицы совершенно иного класса - электрона (лептон);
• появились свидетельства существования адронов, состоящих не из 2, как мезоны, или 3, как барионы, но из 5 кварков.

Все упомянутые проблемы не являются простыми. Достаточно лишь сказать, что Альберт Эйнштейн посвятил последние 30 лет своей жизни решению некоторых из них и не пришел ни к какому результату. Он имел IQ 160!

Адроны делят на две группы: мезоны (s = 0, 1, участвует в сильном взаимодействии) и барионы (s = 1/2, 3/2, участвуют в сильном взаимодействии). Барионы делятся на нуклоны (s =1/2) и гипероны (s = 1/2, 3/2).

2. В чем состояла кварковая гипотеза М.Геллмана и Д.Цвейга? Какие эксперименты подтвердили существование трех точечных зарядов в нуклонах? Почему спин этих зарядов (кварков) полуцелый?

Она состояла в том, что адроны являются составными частицами. Существование в нуклонах трех точечных зарядов подтвердилось экспериментом, в котором изучалось рассеяние электронов с энергией 20 ГэВ на протонах и нейтронах.

Потому что нуклоны имеют полуцелый спин и состоят из трех кварков, и если мы предполагаем, что у всех кварков одинаковый спин, то он должен быть полуцелым.

3. Приведите расчет электрических возможных зарядов кварков. Как назвали эти кварки?

Обозначим за Q и q возможные электрические заряды кварков.

Если мы решим эту систему двух уравнений с двумя переменными мы получим

(такой кварк назвали u-кварком); q = -1/3е (d-кварк).

4. Какие законы сохранения отражали сохранение в ядерных реакциях зарядового и массового числа? Сформулируйте закон сохранения барионого заряда. Как он подтверждает невозможность распада бариона на более мелкие частицы?

Закон сохранения электрического заряда отражает сохранение зарядового числа, а закон сохранения массы отражает сохранение массового числа.

Закон сохранения барионного заряда: барионный заряд сохраняется во всех взаимодействиях. Невозможность распада протона на более мелкие частицы объясняется сохранением барионного заряда. Барионный заряд кварков равен 1/3, для барионов (протонов и нейтронов) В = 1 (барионный заряд ядра). При β-распаде закон сохранения барионного заряда имеет вид