Войти
В физике элементарных частиц барион представляет собой тип составной субатомной частицы, которая содержит нечетное количество валентных кварков (не менее 3). Барионы принадлежат к семейству частиц адрон ; адроны состоят из кварков. Барионы также классифицируются как фермионы, потому что они имеют полуцелое число спин.
Название «барион», введенное Авраамом Паисом, происходит от греческого слово, обозначающее «тяжелый» (βαρύς, barýs), потому что на момент своего наименования наиболее известные элементарные частицы имели меньшие массы, чем барионы. Каждому бариону соответствует античастица (антибарион), где соответствующие им антикварки заменяют кварки. Например, протон состоит из двух верхних кварков и одного нижних кварков ; и соответствующая ей античастица, антипротон, состоит из двух верхних антикварков и одного нижнего антикварка.
Поскольку барионы состоят из кварков, они участвуют в сильном взаимодействии, которое опосредуется частицами, известными как глюоны. Наиболее известные барионы - это протоны и нейтроны, оба из которых содержат по три кварка, и по этой причине их иногда называют трикварками. Эти частицы составляют большую часть массы видимой материи в вселенной и составляют ядро каждого атома. (Электроны, другой главный компонент атома, являются членами другого семейства частиц, называемых лептонами ; лептоны не взаимодействуют посредством сильного взаимодействия.) Экзотические барионы, содержащие пять кварков, называемые пентакварками, также были открыты и изучены.
Перепись барионов Вселенной показывает, что 10% из них можно найти внутри галактик, от 50 до 60% в окологалактической среде, а оставшиеся 30-40% могут находиться в теплая – горячая межгалактическая среда (WHIM).
Барионы - это сильно взаимодействующие фермионы ; то есть на них действует сильное ядерное взаимодействие, и они описываются статистикой Ферми-Дирака, которая применяется ко всем частицам, подчиняющимся принципу исключения Паули. В этом отличие от бозонов, которые не подчиняются принципу исключения.
Барионы, наряду с мезонами, являются адронами, частицами, состоящими из кварков. Кварки имеют барионное число B = 1/3, а антикварки имеют барионное число B = −1/3. Термин «барион» обычно относится к трикваркам - барионам, состоящим из трех кварков (B = 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1).
Были предложены другие экзотические барионы, такие как пентакварки - барионы, состоящие из четырех кварков и одного антикварка (B = 1/3 + 1/3 + 1 / 3 + 1/3 - 1/3 = 1), но их существование не принято. Сообщество физиков элементарных частиц в целом не считало их существование вероятным в 2006 году, а в 2008 году сочло свидетельством, которое подавляющим большинством противоречит существованию зарегистрированных пентакварков. Однако в июле 2015 года в эксперименте LHCb были обнаружены два резонанса, согласующиеся с состояниями пентакварков в распаде Λ. b→ J / ψK. p, с совокупной статистической значимостью 15σ.
Теоретически также могут существовать гептакварки (5 кварков, 2 антикварка), неакварки (6 кварков, 3 антикварка) и т. Д.
Практически вся материя, с которой можно столкнуться или испытать в повседневной жизни, - это барионная материя, которая включает атомы любого вида, и наделяет их свойством массы. Небарионная материя, как следует из названия, - это любой вид материи, не состоящий в основном из барионов. Сюда могут входить нейтрино и свободные электроны, темная материя, суперсимметричные частицы, аксионы и черные дыры.
Само существование барионов также является важной проблемой в космологии, потому что предполагается, что Большой взрыв произвел состояние с равным количеством барионов и антибарионов. Процесс, в результате которого количество барионов превзошло количество своих античастиц, называется бариогенезом.
Эксперименты согласуются с тем, что количество кварков во Вселенной является постоянной величиной и, как предполагается, более конкретно, число барионов является постоянным (если антивещество считается отрицательным); на техническом языке общее барионное число представляется сохраненным. В рамках преобладающей Стандартной модели физики элементарных частиц количество барионов может изменяться кратно трем из-за действия сфалеронов, хотя это бывает редко и не наблюдалось в экспериментах. Некоторые теории великого объединения физики элементарных частиц также предсказывают, что единственный протон может распадаться, изменяя барионное число на единицу; однако в эксперименте этого еще не наблюдалось. Считается, что избыток барионов над антибарионами в современной Вселенной вызван несохранением барионного числа в очень ранней Вселенной, хотя это не совсем понятно.
Комбинации трех кварков u, d или s, образующих барионы со спином 3/2, образуют барионный декуплет uds 
Комбинации трех кварков u, d или s, образующих барионы со спином 1/2, образуют барионный октет uds Концепция изоспина была впервые предложена Вернером Гейзенбергом в 1932 г. объясните сходство между протонами и нейтронами при сильном взаимодействии. Хотя у них были разные электрические заряды, их массы были настолько похожи, что физики считали, что это одна и та же частица. Различные электрические заряды объяснялись как результат какого-то неизвестного возбуждения, подобного спину. Это неизвестное возбуждение было позже названо изоспином Юджином Вигнером в 1937 году.
Эта вера продолжалась до тех пор, пока Мюррей Гелл-Манн не предложил кварковую модель в 1964 г. (первоначально содержал только кварки u, d и s). Успех изоспиновой модели теперь понимается как результат схожих масс u- и d-кварков. Поскольку u- и d-кварки имеют схожие массы, частицы с одинаковым числом также имеют схожие массы. Точный конкретный состав u- и d-кварков определяет заряд, поскольку u-кварки несут заряд +2/3, а d-кварки несут заряд −1/3. Например, все четыре дельты имеют разные заряды (. Δ. (uuu),. Δ. (uud),. Δ. (udd),. Δ. (ddd)), но имеют схожие массы (~ 1,232 МэВ / c), поскольку каждый из них состоит из комбинации трех u- или d-кварков. В рамках модели изоспина они считались одной частицей в разных заряженных состояниях.
Математика изоспина была смоделирована после математики спина. Проекции изоспина изменялись с шагом 1, как и проекции спина, и с каждой проекцией было связано «заряженное состояние ». Поскольку «Дельта-частица » имела четыре «заряженных состояния», было сказано, что она имеет изоспин I = 3/2. Его «заряженные состояния». Δ.,. Δ.,. Δ. и. Δ. соответствуют проекциям изоспина I 3 = +3/2, I 3 = +1/2, I 3 = −1/2 и I 3 = −3/2 соответственно. Другой пример - «нуклонная частица». Поскольку было два «заряженных состояния» нуклона, он был назван изоспином 1/2. Положительный нуклон. N. (протон) был отождествлен с I 3 = +1/2, а нейтральный нуклон. N. (нейтрон) с I 3 = -1/2. Позже было отмечено, что проекции изоспина были связаны с верхним и нижним кварковым содержанием частиц соотношением:.
![I _ {\ mathrm {3}} = {\ frac {1} { 2}} [(n _ {\ mathrm {u}} -n _ {\ mathrm {\ bar {u}}}) - (n _ {\ mathrm {d}} -n _ {\ mathrm {\ bar {d}}})],](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9ee3958c17cfa816641e621b04abfbd8fd88689a)
где n - количество восходящих и нижних кварков и антикварков.
В «изоспиновой картине» четыре дельты и два нуклона считались разными состояниями двух частиц. Однако в кварковой модели дельты - это разные состояния нуклонов (N или N запрещены принципом исключения Паули ). Изоспин, хотя и передает неточную картину вещей, по-прежнему используется для классификации барионов, что приводит к неестественной и часто сбивающей с толку номенклатуре.
Было замечено, что странность квантовое число аромата S (не путать со спином) увеличивается и уменьшается вместе с масса частицы. Чем больше масса, тем меньше странность (тем больше s-кварков). Частицы можно описать с помощью проекций изоспина (связанных с зарядом) и странности (массы) (см. Рисунки октетов и декуплетов uds справа). Когда были открыты другие кварки, были созданы новые квантовые числа с аналогичным описанием октетов и декуплетов udc и udb. Поскольку сходны только массы u и d, это описание массы и заряда частицы в терминах изоспина и квантовых чисел аромата хорошо работает только для октета и декуплета, состоящих из одного кварка u, одного d и еще одного кварка, и не соответствует другие октеты и декуплеты (например, октет и декуплет ucb). Если бы все кварки имели одинаковую массу, их поведение было бы названо симметричным, поскольку все они вели бы себя одинаково при сильном взаимодействии. Поскольку кварки не имеют одинаковой массы, они не взаимодействуют одинаково (точно так же, как электрон, помещенный в электрическое поле, будет ускоряться больше, чем протон, помещенный в то же поле, из-за своей более легкой массы), и говорится о симметрии быть сломанным.
Было отмечено, что заряд (Q) был связан с проекцией изоспина (I 3), барионным числом (B) и ароматическими квантовыми числами (S, C, B ′, T) по формуле Гелл-Манна – Нисидзима :
где S, C, B 'и T представляют квантовые числа аромата странность, очарование, низость и верховность соответственно. Они связаны с количеством странных, очаровательных, нижних и верхних кварков и антикварков согласно соотношениям:
означает, что формула Гелл-Манна – Нишиджима эквивалентна выражению заряда в терминах содержания кварка:
![{\ displaystyle Q = {\ frac {2} {3}} \ left [(n _ {\ mathrm {u}} -n _ {\ mathrm {\ bar {u}}}) + (n _ {\ mathrm {c}} -n_ { \ mathrm {\ bar {c}}}) + (n _ {\ mathrm {t}} -n _ {\ mathrm {\ bar {t}}}) \ right] - {\ frac {1} {3}} \ left [(n _ {\ mathrm {d}} -n _ {\ mathrm {\ bar {d}}}) + (n _ {\ mathrm {s}} -n _ {\ mathrm {\ bar {s}}}) + (n _ {\ mathrm {b}} -n _ {\ mathrm {\ bar {b}}}) \ right].}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/5177c7c0336b28e10854a00aff1dd2744641f728)
Спин (квантовое число S) - это векторная величина, которая представляет «собственный» угловой момент частицы. Он идет с шагом 1/2 ħ (произносится как «h-bar»). Часто опускается, потому что это «основная» единица вращения, и подразумевается, что «спин 1» означает «спин 1». В некоторых системах натуральных единиц, ħ выбрано равным 1 и поэтому нигде не появляется.
Кварки представляют собой фермионные частицы со спином 1/2 (S = 1/2). Поскольку проекции спина изменяются с шагом 1 (то есть 1), отдельный кварк имеет вектор спина длиной 1/2 и две проекции спина (S z = +1/2 и S z = −1/2). Спины двух кварков могут быть выровнены, и в этом случае два вектора спина складываются, чтобы получить вектор длины S = 1 и три проекции спина (S z = +1, S z = 0 и S z = -1). Если два кварка имеют невыровненные спины, векторы спина складываются, чтобы получить вектор длины S = 0 и иметь только одну проекцию спина (S z = 0) и т. Д. Поскольку барионы состоят из трех кварков, их векторы вращения могут складываться, чтобы получить вектор длины S = 3/2, который имеет четыре проекции спина (S z = +3/2, S z = +1/2, S z = −1/2 и S z = −3/2), или вектор длины S = 1/2 с двумя проекциями спина (S z = +1/2, и S z = −1/2).
Есть еще одна величина углового момента, называемая орбитальным угловым моментом (азимутальное квантовое число L), которое приходит с шагом 1 ħ, что представляет угловой момент, обусловленный вращением кварков вокруг друг друга. Таким образом, полный угловой момент (квантовое число полного углового момента Дж) частицы представляет собой комбинацию собственного углового момента (спина) и орбитального углового момента. Может принимать любое значение из J = | L - S | до J = | L + S | с шагом 1.
| Спин,. S | Орбитальный угловой момент., L | Полный угловой. момент, Дж | Четность,. P | Краткое обозначение., Дж |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Физиков элементарных частиц больше всего интересуют барионы без орбитального углового момента (L = 0), поскольку они соответствуют основные состояния - состояния с минимальной энергией. Следовательно, две наиболее изученные группы барионов - это S = 1/2; L = 0 и S = 3/2; L = 0, что соответствует J = 1/2 и J = 3/2 соответственно, хотя они не единственные. Также возможно получить частицы с J = 3/2 из S = 1/2 и L = 2, а также S = 3/2 и L = 2. Это явление наличия нескольких частиц в одной и той же конфигурации полного углового момента является называется вырождением. Как отличить эти вырожденные барионы - активная область исследований в барионной спектроскопии.
Если бы Вселенная отражалась в зеркале, большинство законов физики были бы идентичными - все было бы вести себя одинаково независимо от того, что мы называем «левым» и тем, что мы называем «правым». Эта концепция зеркального отражения называется «внутренней четностью » или просто «четностью» (P). Гравитация, электромагнитная сила и сильное взаимодействие - все ведут себя одинаково, независимо от того, отражается ли Вселенная в зеркале, и, следовательно, сказал сохранить четность (P-симметрия). Однако слабое взаимодействие действительно отличает «левое» от «правого», явление, называемое нарушением четности (P-нарушение).
Исходя из этого, если волновая функция для каждой частицы (точнее, квантовое поле для каждого типа частицы) одновременно зеркально перевернута, то новый набор волновых функций полностью удовлетворял бы законам физики (кроме слабого взаимодействия). Оказывается, это не совсем так: для выполнения уравнений волновые функции определенных типов частиц должны быть умножены на -1, помимо зеркального обращения. Говорят, что такие типы частиц имеют отрицательную или нечетную четность (P = -1 или, альтернативно, P = -), в то время как другие частицы говорят, что они имеют положительную или четную четность (P = +1 или, альтернативно, P = +).
Для барионов четность связана с орбитальным угловым моментом соотношением:
Как следствие, все барионы без орбитального углового момента (L = 0) имеют четность (P = +).
Барионы подразделяются на группы в соответствии с их значениями изоспина (I) и содержанием кварка (q). Существует шесть групп барионов: нуклон (. N.), Дельта (. Δ.), Лямбда (. Λ.), Сигма (. Σ.), Xi (. Ξ.) и Омега (. Ω.). Правила классификации определяются группой данных о частицах . Эти правила рассматривают кварки up (. u.), вниз (. d.) и странные (. s.) как легкие, а очаровывают (. c.), снизу (. b.), и top (. t.) кварки должны быть тяжелыми. Правила охватывают все частицы, которые могут быть образованы из трех кварков каждого из шести, даже несмотря на то, что барионы, состоящие из топ-кварков, не должны существовать из-за короткого времени жизни топ-кварка. Правила не распространяются на пентакварки.
Также широко распространена (но не универсальная) практика следовать некоторым дополнительным правилам при различении некоторых состояний, которые в противном случае имели бы одинаковый символ.
Кварки несут заряд, поэтому заряд частицы известен косвенно дает содержание кварка. Например, приведенные выше правила говорят, что. Λ. cсодержит c-кварк и некоторую комбинацию двух u- и / или d-кварков. C-кварк имеет заряд (Q = +2/3), поэтому два других должны быть au-кварком (Q = +2/3) и ad-кварком (Q = −1/3), чтобы иметь правильный общий заряд. (Q = +1).
