Законы сохранения в мире частиц. Барионное и лептонное квантовое число. Странность. Частицы античастицы



Скачать 339.23 Kb.
страница2/3
Дата22.04.2013
Размер339.23 Kb.
ТипЗакон
1   2   3

и мы получим следующую картину (рис. 9.6):



Рис. 9.6.
Если рисовать эту картину в координатах I3 и Y, то её центр оказывается в начале координат.

Частицы октета, лежащие на горизонталях (при одном и том же S), образуют изоспиновые мультиплеты (они отмечены в табл.9.4). Для данного октета мы имеем один изосинглет - (I=0), два изодублета - n, p и -,o (I=1/2) и один изотриплет - -, o, + (I=1). Внутри изомультиплета частицы отличаются лишь проекцией изоспина (электрическим зарядом). Частицы изомультиплета обладают сходными свойствами по отношению к сильному взаимодействию. Различие их масс, отражающее высокую степень изоспиновой симметрии в сильных взаимодействиях, всего лишь 0.1% и имеет электромагнитную природу. В то же время различие в массах частиц разных изомультиплетов существенно (6-40%) и определяется сильным взаимодействием.

Аналогично в координатах I3, S(Y) строятся фигуры и для других вышеупомянутых супермультиплетов адронов - нонета мезонов (антимезонов) с Jp=0- и декуплета барионов с Jp=3/2+ (разделы 6 и 8 этой лекции).

5. Кварки

Гипотеза о существовании кварков родилась из попыток представить адроны супермультиплетов (9.10) в виде совокупности минимального числа более фундаментальных частиц. Кварковая модель возникла в 1963 г. Её авторы - Гелл-Манн и Цвейг (термин “кварк” предложен Гелл-Манном и взят им из романа Джойса “Поминки по Финнегану”). В соответствии с кварковой моделью барионы состоят из трех кварков, а мезоны - из кварка и антикварка. Сенсационность кварковой гипотезы - в дробности электрического и барионного зарядов, приписываемых кваркам. Характеристики кварков даны табл.9.5.

Вначале были введены три кварка - u, d, s. Их было достаточно для описания известных в то время (самых легких) адронов. В дальнейшем список кварков увеличился до шести и в настоящее время считается, что известны все кварки. Все кварки “наблюдались”, то есть их существование доказано эксперименталь-но, хотя в свободном состоянии они, по-видимому, не существуют.


Таблица 9.
5

Характеристики кварков

(для всех кварков Jp=1/2+ и барионный заряд B=1/3)





Тип кварка (аромат)

Характеристика

d

u

s

c

b

t

Электрический заряд Q



















Изоспин I

1/2

1/2

0

0

0

0

Проекция изоспина I3

-1/2

+1/2

0

0

0

0

Странность S

0

0

-1

0

0

0

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 (mc2)

3-9 МэВ

1.5-5 МэВ

60-170 МэВ

1.1-1.4 ГэВ

4.1-4.4 ГэВ

1745 ГэВ


Из табл.9.5 видно, что, по-существу, все аддитивные квантовые числа, присущие сильному взаимодействию (кроме барионного заряда B, который равен 1/3 для всех кварков), привязаны к конкретным кваркам. Изоспином обладают кварки d и u, странностью - только s-кварк, шармом - c-кварк, квантовое число bottom несет b-кварк, а top - t-кварк. Отсюда следует простой рецепт определения всех этих квантовых чисел для любого адрона по кварковому составу этого адрона.

Квантовые числа антикварков определяются по общим правилам, которые связывают характеристики частиц и античастиц (конец раздела 3 этой лекции).

Поскольку кварки не существуют в виде свободных изолированных частиц, то указанные для них в таблице 9.5 массы требуют пояснений, которые будут даны в конце Лекции 10. d-Кварк несколько тяжелее u-кварка, что и приводит к распаду нейтрона.

Кварковый состав бариона qiqjqk, антибариона , где нижний индекс отличает тип (аромат) кварка. Ароматы кварков, входящих в состав адронов, могут совпадать. Кварковая структура мезонов имеет вид , антимезонов - .

С учетом тяжелых кварков c, b, t и связанных с ними квантовых чисел Charm, Bottom и Top обобщается понятие гиперзаряда.

Y = B + S + C + B + T. (9.11)

При этом с обобщенным гиперзарядом остается справедливым правило ННГ:

.

6. Кварковая структура легчайших барионов и мезонов

Кварковый состав октета легчайших барионов с Jp=1/2+ (табл.9.4) показан на рис.9.7, выполненном в координатах I3, S.


Рис. 9.7

Барионный октет Jp=1/2+ формируется из трех легчайших кварков u, d, s. Из полученных семи комбинаций этих кварков одна (uds) соответствует двум разным частицам - o и . Отличие этих двух частиц состоит в том, что o это частица с изоспином I=1 и проекцией изоспина I3=0, т.е. эта частица входит в состав изотриплета +, o, -. В то же время - это изосинглет, т.е. частица с I=0 и I3=0.

Если на рис.9.7 все частицы заменить на античастицы, то получим кварковую структуру октета легчайших антибарионов. В состав этого октета будут, например, входить антинейтрон , антипротон , антисигма-плюс-гиперон , имеющий отрицательный электрический заряд.

На рис.9.8 показан кварковый состав нонета легчайших мезонов с Jp=0- (частицы, входящие в состав этого мультиплета, приведены в первой строчке выражения (9.10)). Ниже mc2=1000 МэВ нет других мезонов с Jp=0-.

Рис. 9.8.

Этот супермультиплет, как и все другие супермультиплеты мезонов, одновременно содержит частицы и их античастицы (это отличает мезоны от барионов), т.е. в данном случае мы имеем супермультиплет мезонов/антимезонов. Действительно, рассмотрим, например, частицу . Чтобы получить её античастицу , нужно кварки, входящие в состав , заменить на антикварки: , . Получаем . Именно эта частица занимает нижнюю правую “ячейку” фигуры 9.8. Вообще частица и её античастица на рис.9.8 располагаются симметрично относительно центра фигуры (точки с S=0 и I3=0). Рядом с символом частицы на рис.9.8 приведена её масса в МэВ, что позволяет убедиться в равенстве масс у частиц и античастиц и разбить нонет мезон/антимезонов на изоспиновые мультиплеты (в которые, как уже говорилось, группируются частицы с близкими массами). Нонет распадается на два изодублета (I=1/2) - Ko, K+ и K-, , один изотриплет (I=1) - -, o, + и два изосинглета (I=0) - и .

Рассмотрим вопрос о том, почему в центре фигуры (S=0 и I3=0) оказались три частицы и как они отличаются с точки зрения кваркового состава. Из u, d, s-кварков и их антикварков можно составить только три -пары с I3=0. Это , и . По-существу, эти три возможности и приводят к появлению трех частиц в центре нонета. Однако эти частицы не являются чистыми по аромату -комбинациями (, или ), а оказываются смесью этих трех комбинаций с различными весами: ++, где 2+2+2=1. Одна из этих комбинаций должна иметь I=1 и соответствовать o-мезону - члену изотриплета -мезонов. В составлении кварковой комбинации o-мезона могут участвовать лишь и -пары, т.к. только из кварков этого типа (имеющих изоспин 1/2) можно сформировать состояния с I=1. Таким образом, (o)=0. Две оставшиеся комбинации кварков отвечают изосинглетам - частицам с I=0, у которых нет изоспиновых партнеров за пределами центра нонета. Эти две частицы - и -мезоны. В формировании их кваркового состава участвуют , и -пары. Вид кварковых комбинаций для и - мезонов (как и всех других мезонов нонета) приведен без доказательства в конце раздела 3 Лекции 10. Здесь лишь заметим, что, поскольку в состав и -мезонов входит -пара, состоящая из значительно более тяжелых кварков, чем u и d (табл.9.5), то рассматриваемые мезоны ( и ) имеют существенно большие массы, чем o-мезон.

Мезоны o, и располагающиеся в центре фигуры 9.8, являются истинно нейтральными частицами, т.е. для них частица и античастица тождественны. Это следует из того, что все эти мезоны - комбинации пар одинакового аромата (, или ). Замена в этих комбинациях кварк антикварк и наоброт не меняет кварковой структуры комбинации, т.е приводит к той же частице.

Основываясь на кварковой структуре барионов, легко прийти к выводу, что среди последних нет истинно нейтральных частиц.
7. Кварковые атомы

В предыдущем разделе даны примеры того, как выглядит кварковое строение легчайших адронных супермультиплетов - одного барионного и одного мезон/антимезонного. Все остальное многочисленное семейство адронов так же распадается на супермультиплеты, формируемые сочетаниями из трех или двух кварков - qqq (барионы), (антибарионы), q (мезон/антимезо-ны). Таким образом, адроны можно рассматривать как “кварковые атомы” (или ядра). Сравним известные образования (ядра) из трех нуклонов с кварковой структурой самих нуклонов:
= pnn; = ppn; (9.12)

n = udd; p = uud.

Такое сравнение еще раз показывает, что с открытием кварков достигнут новый уровень структуры материи (новая ступень квантовой лестницы).

Кварки, образующие адроны, могут находиться в состояниях с различными орбитальными моментами. Спины этих кварков могут быть ориентированы различным образом. Поэтому для одной и той же кварковой комбинации допустимы различные значения полного момента и четности Jp. Энергия (масса) фиксированной кварковой комбинации зависят от Jp, т.е. для каждой кварковой комбинации получаем набор энергий (масс). Такова суть спектроскопии адронов, которая, по-существу, не отличается от атомной или ядерной спектроскопии. Единственное отличие, о котором здесь нужно сказать, состоит в том, что если у атома (или ядра) с определенным внутренним составом частиц меняется 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 (другому адрону со своим обозначением). Таким образом, в богатстве адронов скрыто все многообразие межкварковых возбуждений. Отмеченное отличие, однако, не принципиальное, а скорее терминологическое.

Рассмотрим вопрос о том, как ориентированы спины кврков в нуклонах, каковы их орбитальные моменты и почему у нуклонов Jp=1/2+. Возьмем, для примера, протон: p=uud. Протон - самое нижнее (основное) состояние кварковой комбинации uud. Как и в атомной (ядерной) спектроскопии основные (и самые нижние возбужденные) состояния отвечают нулевым орбитальным моментам составных частиц. Поэтому результирующий орбитальный момент L кварков в протоне равен нулю и полный момент протона получается сложением лишь спинов кварков. Оказывается, что в протоне у одного из кварков спин направлен противоположно двум другим, а именно, p=uud. В итоге получаем для протона J=1/2 и (т.к. внутренние четности кварков положительны) чётность протона
P=uud (-1)L=0 = (+1)(+1)(+1)(-1)0=+1.

То же справедливо для всех других членов мультиплета легчайших барионов с Jp=1/2+ (рис. 9.7).

У любой частицы, входящей в состав супермультиплета легчайших мезонов (рис. 9.8), орбитальный момент кварков также равен нулю. Спины кварка и антикварка антипараллельны () и суммарный момент мезона/антимезона этого нонета J=0. Т.к. внутренняя четность кварка +1, а антикварка -1. то четность мезона нонета

P=q (-1)L=0 = (+1)(-1)(-1)0=-1.

В итоге для легчайших мезонов/антимезонов имеем Jp=0-.

С учетом всего вышеизложенного можно записать следующие формулы для определения четности мезонов/антимезонов, барионов и антибарионов:
P(мезон/антимезон) = q = (+1)(-1)(-1)L = -(-1)L;

P(барион) = qqq = (+1)(+1)(+1)(-1)L = (-1)L; (9.13)

P(антибарион) = = (-1)(-1)(-1)(-1)L = -(-1)L,

где L - результирующий орбитальный момент кварков в адроне.

1   2   3

Похожие:

Законы сохранения в мире частиц. Барионное и лептонное квантовое число. Странность. Частицы античастицы iconЗаконы сохранения; общие свойства одномерного движения; колебания; движение в центральном поле; система многих взаимодействующих частиц; рассеяние частиц; механика частиц со связями, уравнения Лагранжа
Галилея и Эйнштейна; нерелятивистские и релятивистские уравнения движения частицы
Законы сохранения в мире частиц. Барионное и лептонное квантовое число. Странность. Частицы античастицы iconЗаконы и теоремы динамики системы частиц
Пусть имеется система, состоящая из частиц. Все силы, действующие на частицы системы, можно разделить на внешние и внутренние: -сила,...
Законы сохранения в мире частиц. Барионное и лептонное квантовое число. Странность. Частицы античастицы iconЗаконы сохранения в электричестве 4 Законы сохранения фундаментальные законы природы 4 Примеры решения задач 5
Законы сохранения являются наиболее фундаментальными законами природы. В электростатике и электродинамике при решении задач используются...
Законы сохранения в мире частиц. Барионное и лептонное квантовое число. Странность. Частицы античастицы iconМир античастиц
И так далее. При взаимодействии частицы и парной ей античастицы происходит их взаимная аннигиляци — обе частицы прекращают свое существование,...
Законы сохранения в мире частиц. Барионное и лептонное квантовое число. Странность. Частицы античастицы iconРеакция распада электрона по схеме невозможна вследствие невыполнения закона сохранения …
Элементы ядерной физики и физики элементарных частиц 3 Законы сохранения в ядерных реакциях
Законы сохранения в мире частиц. Барионное и лептонное квантовое число. Странность. Частицы античастицы iconОсновные понятия и законы химии
Формульные единицы в химии – это реально существующие частицы, такие, как атомы (К, С, О) молекулы (Н2О, со2), катионы (К+,Са2+),...
Законы сохранения в мире частиц. Барионное и лептонное квантовое число. Странность. Частицы античастицы iconСистемы частиц и твёрдых тел
Все возможные факторы, влияющие на поведение частицы, должны учитывать законы движения
Законы сохранения в мире частиц. Барионное и лептонное квантовое число. Странность. Частицы античастицы iconПрограмма вступительного экзамена в аспирантуру по специальности
Движение материальной точки и системы материальных частиц в механике Ньютона. Интегралы движения и законы сохранения. Движение в...
Законы сохранения в мире частиц. Барионное и лептонное квантовое число. Странность. Частицы античастицы iconТема 1-3 курс
Законы сохранения Вывести законы сохранения в классической механике и классической теории поля из принципа инвариантности действия...
Законы сохранения в мире частиц. Барионное и лептонное квантовое число. Странность. Частицы античастицы iconО законах сохранения энергии
При этом суммарная кинетическая энергия частиц целиком переходит во внутреннюю энергию q образовавшейся частицы Отсюда с учетом формулы...
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org