Барионы и мезоны, состав адронов

АДРОНЫ, КВАНТОВАЯ ХРОМОДИНАМИКА

СТАБИЛЬНЫЕ И НЕСТАБИЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ

РЕАЛЬНЫЕ И ВИРТУАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ

В соответствии со специальной теорий относительности между энергией частицы E, её импульсом p (mv)- произведением массы частицы на её скорость и массой m должно выполняться уравнение массовой поверхности в пространстве параметров – E, p.

Е² - с² р² = m²_о с⁴,

соответствующее Е = mс², где с – скорость света, m_o – масса покоя.

Но существует класс частиц (или состояний) с характеристиками, не лежащими на этой поверхности, а отстоящими от неё на величину ВИРТУАЛЬНОСТИ. Такие частицы по принадлежности мы относим к вакууму и называем виртуальными. Поясним природу виртуальных частиц исходя также из другого подхода. Согласно принципа неопределённости квантовой механики на короткий промежуток времени ∆t в вакууме может появиться энергия ΔE = ћ /∆t, как бы «ниоткуда». Эта энергия может давать в пустоте рождение паре: частице и античастице. Масса этой пары соответствует формуле Эйнштейна 2mc² = E. Разлететься и остаться, как реальные частицы, они не могут, так как это означало бы, что частицы родились из ничего, нарушая закон сохранения энергии. Через промежуток времени ∆t частицы сольются и исчезнут. Такие «не родившиеся» частицы, появляющиеся лишь на короткий промежуток времени, беря энергию «взаймы», получили название виртуальных частиц. Таким образом, элементарные частицы по энергетическому состоянию можно разбить на две группы: реальные и виртуальные.

Все реальные частицы участвуют в гравитационном взаимодействии

В абсолютном вакууме наблюдается кипение виртуальных частиц и если подвести к ним энергию, например, в виде квантов (γ, света и др.) можно вызвать к жизни из вакуума практически любую частицу, встречаемую реально. Вакуум современной Вселенной характеризуется весьма низким энергетическим состоянием частиц.

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на: стабильные и нестабильные

Стабильными по состоянию на настоящий момент считаются фотон, протон, электрон, все типы нейтрино, их античастицы. К нестабильным относят остальные. Нестабильные частицы, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий: нейтрон (τ ~ 0,93 ∙ 10 ³ с), мюон (τ ~ 2,2 ∙10 ^–6 с), мезоны (10^-8 - 10^-19 с), иногда называют квазистабильными. Нестабильные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия (их характерные времена жизни 10^-22 - 10^-24 с) называют резонансами.

Адроны (от греческого «хадрос» – тяжёлый) – самое многочисленное семейство элементарных частиц, они участвуют во всех видах фундаментальных взаимодействий и подразделяются на два подсемейства: барионы и мезоны.

Барионы и соответствующие им антибарионы – это фермионы со спином ½, среди них особое место принадлежит нуклонам (протонам и нейтронам) как ядрообразующим частицам, на стабильности которых в ядре «держится мир».

Мезоны и соответствующие им антимезоны – это бозоны со спином, как правило, 0, среди них особо важное значение играют π – мезоны (π⁺, π^-, π ^о ), обеспечивающие консолидирующее обменное сильное взаимодействие между нуклонами в ядрах.

В 1964 г. молодые американские учёные М. Гелл -Манн. и Д. Цвейг выдвинули исключительно плодотворную ошеломляюще простую гипотезу, согласно которой все адроны состоят из неких элементарных фермионов, названных кварками. Время показало, что 1964 год и выдвинутая гипотеза стали переломными в физике элементарных частиц и огромным скачком в познании микромира. Согласно гипотезе адроны построены по принципу:

БАРИОН = КВАРК + КВАРК + КВАРК,

АНТИБАРИОН = АНТИКВАРК + АНТИКВАРК + АНТИКВАРК,

МЕЗОН = КВАРК + АНТИКВАРК,

АНТИМЕЗОН = АНТИКВАРК + КВАРК.

С учётом сведений по фундаментальным фермионам, кварковая структура некоторых долгоживущих барионов такова:

протона p = uud,

нейтрона n = udd,

лямбда-гиперона Λ^о = uds,

сигма-гиперонов å⁺ = uus, å^- = dds, å^о = uds,

омега-минус-гиперона Ω^- = sss.

Антибарионы имеют аналогичную структуру, но только не из кварков, а из антикварков. Кварковая структура широко распространённых мезонов такова:

пионов , ,

каонов , , , .

Адроны живут «богатой внутренней жизнью», их действительный фермионный состав, не так прост, как изложен выше. Те кварки, которые указаны в приведенных выше формулах, называются валентными. Однако в соответствии с соотношением неопределённости к трём валентным кваркам в барионах (и к двум – в мезонах) на очень короткое время могут добавляться пары «морских» кварков – антикварков (море кварковых пар). Даже в мире валентных кварков мы обнаружим сложности «высших порядков». Так, нейтральный мезон π ^о имеет структуру , из которой следует, что даже определённые валентные кварки присутствуют в таком адроне лишь часть времени его существования. На долю валентных кварков приходится чуть более трети суммарного импульса.

Спин комплексных (составных) частиц определяется сложением спинов её составляющих, отсюда (как и указано выше) все барионы – фермионы (½ +½ +½), мезоны – бозоны (½ - ½).

Среди барионов есть структуры с двумя и даже тремя одинаковыми кварками (говорят с кварками одного аромата). Кварки – фермионы, и согласно запрету Паули, находясь в одном квантовом ансамбле, они должны различаться хотя бы по одному из своих параметров. В квантовой хромодинамике таким параметром является цвет.

Каждый кварк (антикварк) существует в трёх разновидностях, называемых цветами. Условно цвета кварков обозначают как красный, синий, зеленый, а цвета антикварков – антикрасный, антисиний, антизеленый.

Понятию цвета кварка или антикварка не следует придавать буквального смысла. Используется лишь оптическая аналогия: смешение любой из указанных троек цветов даёт бесцветную (белую) композицию. Комбинации синего с антисиним, красного с антикрасным, зеленого с антизеленым также бесцветны.

Существенно, что в состав любого адрона (бариона, мезона, их античастиц) одновременно входят кварки, образующие только бесцветные комбинации (это относится как к наборам валентных кварков, так и к «морю» кварк – антикварковых пар). «Бесцветность» адронов – принципиальное свойство микромира. В свободном состоянии могут находиться только безцветные комбинации. Говорят, что кварки находятся в состоянии «конфайнмента» (пленение, тюремное заключение). Вылетать цвета не могут! Но почему? На этот вопрос отвечает теория, получившая название квантовая хромодинамика.

Дата добавления: 2015-05-10