Кварковая модель адронов

Классификация элементарных частиц

По массе

Все элементарные частицы подразделяются по массе на 4 класса: фотоны, лептоны, мезоны и барионы. Мезоны и барионы объединяются в класс адронов.

1). Фотоны (⁰₀) – нейтральная безмассовая частица, квант электромагнитного поля, переносчик электромагнитного взаимодействия.

Масса покоя: m_o = 0 (в покое фотон не существует); энергия фотона: ε_ɤ = hυ; спин фотона: Ј = 1, т.е. фотон является бозоном.

Спин фотона имеет лишь два направления: параллельное и антипараллельное импульсу, что соответствует правой и левой циркулярной поляризации.

Время жизни фотона: т.е. фотон абсолютно стабилен.

2). Лептоны – элементарные частицы с массой покоя меньше 250 электронных масс, не участвующие в сильном взаимодействии, являются фермионами (m₀ 250 m_e; Ј = 1/2).

К лептонам относятся электрон (_-1 ⁰ e), мюоны (μ), таоны (, электронное нейтрино (₀ ⁰υ _е), мюонное нейтрино (₀ ⁰υ _μ).

Лептонам приписывают лептонное число: L = 1 – для лептонов,: L = - 1 – для антилептонов, L = 0 – для всех остальных частиц.

Закон сохранения лептонного заряда: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц лептонный заряд сохраняется.

Пример: ₀ ¹ n → ₁ ¹P + _-1 ⁰ e + ₀ ⁰ ῦ_e;

₁ ¹Р → ₀ ¹ n + ₊₁⁰ e + ₀ ⁰υ _е.

Электрон (_-1 ⁰ е): масса покоя m_e = 9,11•10^-31 кг; электрический заряд е = 1,6•10^-19 Кл; спин Ј = 1/2, т.е. является фермионом; время жизни τ 5•10²¹ лет, т.е. стабилен. Имеется античастица ₊₁⁰ e – позитрон.

Мюоны – исторически ошибочное название, относятся к лептонам.

Известно три типа мюонов: μ⁺, μ^-, μ⁰ – мезоны; впервые были открыты в составе космического излучения: масса покоя m_μ = 206,8 m_e; спин Ј = 1/2, т.е. является фермионом; время жизни τ = 2,2•10^-6 с, т.е. нестабилен.

Распадается за счет слабого взаимодействия по схеме:

μ⁺ → ₊₁⁰ e + ₀ ⁰υ _е. + ₀ ⁰ ῦ_μ;

μ^- → _-1 ⁰ e + ₀ ⁰ ῦ_e + ₀ ⁰υ _μ.

3). Адроны – общее наименование для элементарных частиц, участвующих в сильном и других типах взаимодействий.

Адроны подразделяются на барионы и мезоны. В класс адронов входят протоны, нейтроны, гипероны, мезоны. Адронам приписывается барионное число В.

Мезоны - частицы средней массы, имеющей массу покоя свыше 250 электронных масс; являются бозонами (m₀ 250 m_e; Ј = 0; В = 0; L = 0).

К мезонам, в частности относятся: π –мезоны, К – мезоны, η⁰ – мезоны.

Пионы:

Существуют три вида пи-мезонов: π⁺, π^-, π⁰ – мезоны.

Массы покоя: m₀ = 264,1 - 273,1 m_e; спин Ј = 0; время жизни τ = (2,6•10^-8 - 0,8•10^-16) с.

Схемы распада: π⁺ → μ⁺ + ₀ ⁰υ _μ;

π^- → μ^- + ₀ ⁰ ῦ_μ;

π⁰ → 2 ⁰₀.

Каоны:

Существуют три типа каонов: К⁺, К^-, К⁰ – мезоны.

Масса покоя: m₀ = 970 m_e; время жизни τ = (10^-8 - 10^-10) с.

Схемы распада: К⁺ → μ⁺ + ₀ ⁰υ _μ или К⁺ → π⁺ + π^-;

К^- → μ^- + ₀ ⁰ ῦ_μ или К^- → π^- + π⁰.

Барионы – тяжелые элементарные частицы с массой покоя свыше 1800 электронных масс, являются фермионами.

К барионам относятся протоны, нейтроны, гипероны и др.

Барионный заряд: В = +1 – для барионов, В= -1 – для антибарионов, В = 0 – для всех остальных частиц.

Закон сохранения барионного заряда: в замкнутой системе при всех процессах взаимопревращаемости элементарных частиц барионный заряд сохраняется.

Из этого закона следует, что при распаде барионов наряду с другими частицами обязательно образуются барионы.

Барионы и мезоны не могут слабо взаимодействовать друг с другом.

Гипероны – тяжелые нестабильные частицы с массой большей массы нуклонов, обладающие барионным зарядом и большим времени жизни по сравнению с ядерным временем (τ 10^-23 с).

Известно несколько типов гиперонов: лямбда (Λ⁰), сигма (∑⁰; ∑⁺; ∑^-), кси (Ξ⁰; Ξ⁺; Ξ^-) и омега (Ω^-).

Масса покоя: m₀ = 2183 – 3273 m_e; спин Ј = 1/2 (для Ω^-: Ј = 3/2), время жизни τ 10^-10 с.

Участвуют в сильных взаимодействиях, распадаются на нуклоны и легкие частицы (π – мезоны, электроны, нейтрино, гамма-кванты). Каждый гиперон имеет свою античастицу.

Адроны - составные частицы, обладающие внутренней структурой. Адронов много, несколько сотен. Большинство адронов являются резонансами – нестабильными частицами.

По времени жизни

В зависимости от времени жизни элементарные частицы делятся на стабильные, метастабильные и нестабильные (резонансы).

Стабильными в пределах точности современных измерений являются: фотоны (τ →), нейтрино (τ →), электроны (τ 5•10²¹ лет), протоны (τ ^30-33 лет).

К метастабильным относятся адроны, распадающиеся за счет электромагнитного и слабого взаимодействий (τ^-23 с).

Резонансами называются элементарные частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия (τ ^-24 – 10^-23 с).

Группа резонансов включает несколько сотен частиц.

Адроны составные частицы – согласно гипотезе Д.Цвейга и М.Гелл-Манна (1964) «состоят» из кварков.

Кварки – фундаментальные частицы, из которых состоят все адроны.

Кварки обладают спином Ј = 1/2 (являются фермионами) и дробными электрическим ϥ = (+ 2/3, - 1/3, - 1/3) е и барионным зарядами.

Размеры r 10^-18 м.

Для каждой разновидности кварков существуют антикварки.

Барионы состоят из трех кварков, мезоны из пары – кварка + антикварка.

Кварки разделяются на группы в зависимости от их внутреннего состояния, как говорят, от степени внутренней свободы. Известны две степени внутренней свободы кварков – цвет и аромат.

Известно 6 ароматов кварков: t, b, c, s, d,u. Адроны построены из u и d – кварков.

Различают 3 цвета кварков: синий, красный, жёлтый. Сочетание «цветов» кварков в адронах таково, что средний цвет адронов нулевой (белый).

Т.о., известно 72 варианта кварков: число комбинаций из 2-х спинов, 2-х зарядов, 6-ти ароматов, 3-х цветов.

Примеры:

1). π⁺ - мезон состоит из u – кварка и – антикварка; π^- -мезон состоит из – антикварка и d – кварка.

2). Нейтрон ₀ ¹ n состоит из d – жёлтого, d – синего, u – красного кварков.

3).Протон ₁¹ P состоит из d – жёлтого, u – синего, u – красного кварков.

Переносчиками взаимодействия между кварками являются безмассовые частицы – глюоны, являющиеся бозонами.

Кварки в свободном состоянии не существуют, участвуют во всех типах взаимодействий.

Дата добавления: 2014-01-04