Войти
 |  |  |
 |  |  |
| Шесть видов лептонов | ||
В физике элементарных частиц, аромат или аромат относится к разновидностям элементарной частицы. Стандартная модель насчитывает шесть ароматов кварков и шесть ароматов лептонов. Обычно они параметризуются с помощью разновидностей квантовых чисел, которые присваиваются всем субатомным частицам. Их также можно описать некоторыми из симметрий семейства , предложенных для кварк-лептонных поколений.
В классической механике сила, действующая на точечную частицу, может изменять только частицу. динамическое состояние, то есть его импульс, угловой момент и т. д. Квантовая теория поля, однако, допускает взаимодействия, которые могут изменять другие аспекты природы частицы, описываемые нединамическими дискретными квантовыми числами. В частности, действие слабой силы таково, что оно позволяет преобразовывать квантовые числа, описывающие массу и электрический заряд как кварков, так и лептонов из одного дискретного типа к другому. Это известно как изменение вкуса или трансмутация вкуса. Из-за своего квантового описания состояния аромата могут также подвергаться квантовой суперпозиции.
В атомной физике главное квантовое число электрона определяет электронная оболочка, в которой она находится, определяющая энергетический уровень всего атома. Аналогично, пять квантовых чисел аромата (изоспин, странность, очарование, нижность или вершина) могут характеризовать квантовое состояние кварков по степени, в которой оно проявляет шесть различных ароматов (u, d, s, c, б, т).
Составные частицы могут быть созданы из нескольких кварков, образующих адроны, такие как мезоны и барионы, каждый из которых обладает уникальными совокупными характеристиками, такими как разные массы, электрические заряды и режимы распада. Общие квантовые числа аромата адрона зависят от количества составляющих кварков каждого конкретного аромата.
Все различные заряды, обсужденные выше, сохраняются благодаря тому факту, что соответствующие операторы заряда можно понимать как генераторы симметрий, коммутирующих с гамильтонианом. Таким образом, собственные значения различных операторов заряда сохраняются.
Абсолютно сохраненные квантовые числа аромата:
В некоторых теориях, таких как теория великого объединения, сохранение индивидуального бариона и лептонного числа может быть нарушено, если сохраняется разница между ними (B - L ) (см. киральная аномалия ). Все остальные ароматические квантовые числа нарушаются электрослабыми взаимодействиями. Сильное взаимодействие сохраняет все вкусы.
Если есть две или более частицы, которые имеют идентичные взаимодействия, то они могут меняться местами, не влияя на физику. Любая (сложная) линейная комбинация этих двух частиц дает одну и ту же физику, пока комбинации ортогональны или перпендикулярны друг другу.
Другими словами, теория обладает преобразованиями симметрии, такими как 
В квантовой хромодинамике аромат - это сохраняющаяся глобальная симметрия. С другой стороны, в теории электрослабого взаимодействия эта симметрия нарушена, и существуют процессы изменения аромата, такие как распад кварка или осцилляции нейтрино.
Все лептоны несут лептонное число L = 1. Кроме того, лептоны несут слабый изоспин, T 3, что составляет -1/2 для трех заряженных лептонов (т.е. электрон, мюон и тау ) и +1/2 для три связанных нейтрино. Считается, что каждый дублет заряженного лептона и нейтрино, состоящий из противоположных T 3, составляет одно поколение лептонов. Кроме того, определяется квантовое число, называемое слабый гиперзаряд, Y W, которое равно -1 для всех левосторонних лептонов. Слабый изоспин и слабый гиперзаряд измеряются в Стандартной модели.
Лептонам могут быть присвоены шесть ароматов квантовых чисел: число электронов, число мюонов, число тау и соответствующие числа для нейтрино. Они сохраняются при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушаются при слабых взаимодействиях. Следовательно, такие квантовые числа аромата не очень полезны. Отдельное квантовое число для каждого поколения более полезно: электронное лептонное число (+1 для электронов и электронных нейтрино), мюонное лептонное число (+1 для мюонов и мюонных нейтрино) и тауонное лептонное число (+1 для тау-лептонов и тау-нейтрино). Однако даже эти числа не сохраняются полностью, так как нейтрино разных поколений могут смешиваться ; то есть нейтрино одного аромата может преобразоваться в другой аромат. Сила такого смешения определяется матрицей, называемой матрицей Понтекорво – Маки – Накагавы – Сакаты (матрица PMNS).
Все кварки несут барионное число B = 1/3. Все они также несут слабый изоспин, T 3 = ± 1/2. Кварки с положительным T 3 (верхний, очаровательный и верхний кварки) называются кварками верхнего типа, а кварки с отрицательным T 3 (нижний, странный и нижний кварки) называются кварки нижнего типа. Каждый дублет кварков типа «вверх» и «вниз» составляет одно поколение кварков.
Для всех перечисленных ниже квантовых чисел аромата кварка принято, что ароматный заряд и электрический заряд кварка имеют один и тот же знак . Таким образом, любой аромат, переносимый заряженным мезоном, имеет тот же знак, что и его заряд. Кварки имеют следующие ароматические квантовые числа:
Эти пять квантовых чисел вместе с барионным числом (которое не квантовое число аромата), полностью укажите номера всех 6 ароматов кварков по отдельности (как n q - n q̅, т.е. антикварк считается со знаком минус). Они сохраняются как электромагнитным, так и сильным взаимодействиями (но не слабым взаимодействием). Из них можно построить производные квантовые числа:
Термины «странный» и «странный» появились еще до открытия кварка, но продолжали использоваться после его открытия в целях преемственности ( т.е. странность каждого типа адронов осталась прежней); необычность античастиц, обозначенных как +1, а частиц как −1, в соответствии с первоначальным определением. таких как каон, и использовался в восьмеричной классификации адронов и в последующих кварковых моделях. Эти квантовые числа сохраняются в разделах strong и электромагнитные взаимодействия, но не в рамках слабых взаимодействий.
Для слабых распадов первого порядка, то есть процессов, включающих распад только одного кварка, эти квантовые числа (например, очарование) могут изменяться только на 1, то есть, для распада с участием очарованного кварка или антикварка либо в качестве налетающей частицы, либо в качестве побочного продукта распада ΔC = ± 1; аналогично для распада с участием нижнего кварка или антикварка ΔB ′ = ± 1. Поскольку процессы первого порядка более распространены, чем процессы второго порядка (с участием двух кварковых распадов), это можно использовать как приблизительное «правило выбора » для слабых распадов.
Особая смесь ароматов кварков является собственным состоянием части слабого взаимодействия в гамильтониане, поэтому взаимодействие будет особенно простым. с W-бозонами (заряженные слабые взаимодействия нарушают аромат). С другой стороны, фермион фиксированной массы (собственное состояние кинетической и сильной взаимодействующих частей гамильтониана) является собственным состоянием аромата. Преобразование прежнего базиса в базис собственное состояние аромата / собственное состояние массы для кварков лежит в основе матрицы Кабиббо – Кобаяши – Маскавы (матрица CKM). Эта матрица аналогична матрице PMNS для нейтрино и количественно определяет изменения аромата при заряженных слабых взаимодействиях кварков.
Матрица CKM допускает нарушение CP, если существует не менее трех поколений.
Квантовые числа ароматизатора складываются. Следовательно, античастицы имеют аромат, равный по величине частице, но противоположный по знаку. Адроны наследуют свое ароматическое квантовое число от своих валентных кварков : это основа классификации в модели кварков. Связь между гиперзарядом, электрическим зарядом и другими ароматическими квантовыми числами сохраняется как для адронов, так и для кварков.
Квантовая хромодинамика (КХД) содержит шесть разновидностей кварков. Однако их массы различаются, и, как следствие, они не являются взаимозаменяемыми друг с другом. Верхний и нижний ароматы близки к тому, чтобы иметь равные массы, и теория этих двух кварков обладает приблизительной симметрией SU (2) (изоспиновой симметрией).
При некоторых обстоятельствах (например, когда массы кварков намного меньше, чем масштаб нарушения киральной симметрии, равный 250 МэВ), массы кварков не изменяются. существенно влияют на поведение системы и могут быть проигнорированы в нулевом приближении. Затем можно успешно смоделировать упрощенное поведение ароматических преобразований как действующее независимо на левую и правую части каждого кваркового поля. Это приблизительное описание симметрии аромата описывается киральной группой SU L(Nf) × SU R(Nf).
Если бы все кварки имели ненулевые, но равные массы, то эта киральная симметрия нарушается до векторной симметрии «диагональной группы ароматов» SU (N f), который применяет одно и то же преобразование к обеим спиральности кварков. Это снижение симметрии является формой явного нарушения симметрии. Сила явного нарушения симметрии контролируется текущими массами кварков в КХД.
Даже если кварки безмассовые, киральная симметрия ароматов может быть спонтанно нарушена, если вакуум теории содержит киральный конденсат (как это происходит в низкоэнергетической КХД). Это приводит к появлению эффективной массы кварков, часто отождествляемой с массой валентного кварка в КХД.
Анализ экспериментов показывает, что текущие кварковые массы более легких ароматов кварков намного меньше, чем шкала КХД, Λ КХД, следовательно, киральная симметрия аромата является хорошим приближением к КХД для верхних, нижних и странных кварков. Успех киральной теории возмущений и еще более наивных киральных моделей проистекает из этого факта. Массы валентных кварков, извлеченные из кварковой модели , намного больше, чем текущая масса кварка. Это указывает на то, что КХД имеет спонтанное нарушение киральной симметрии с образованием кирального конденсата. Другие фазы КХД могут нарушать хиральную симметрию аромата другими способами.
Некоторые исторические события, которые привели к развитию симметрии ароматов, обсуждаются в статье о изоспине, восьмеричном пути (физика) и хиральная симметрия.
