Баріони

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Баріони зі спіном 1/2 утворюють октет

Баріони — елементарні частинки, що складаються з трьох кварків, і мають напівціле значення спіну. Разом з мезонами, складають клас адронів — частинок, що беруть участь у сильній взаємодії. Назва баріонів походить від грецького βαρύς, важкий, тому що на момент відкриття всі інші частинки були легшими за них.

Баріони підкоряються статистиці Фермі-Дірака, тобто є ферміонами і для них є справедливим принцип Паулі. Іншою характеристикою баріонів є баріонний заряд, квантове число, що приймає цілі значення.

Баріони складаються із трьох кварків таким чином, що баріонні числа кварків (1/3 або −1/3) додаються, утворюючи значення 1 або −1. Іноді до баріонів відносять більш екзотичні частинки, на кшталт пентакварків, що були відкриті у 2015 році колаборацією LHCb.[1] Ще більш екзотичні частинки, що складаються з семи або дев’яти кварків, хоча не були досі відкриті експериментально, проте теоретично їх існування також є можливим[2].

Найвідомішими баріонами є протон і нейтрон, що є основними складовими атомного ядра.

Кожному баріону відповідає своя античастинка, що має протележний електричний і баріонний заряд, а також аромат — наприклад, протон складається з двох u-кварків і двох d-кварків, і має заряд +1 і баріонний заряд +1, відповідно, антипротон складається з двох u-антикварків і одного d-антикварка, заряд -1 і баріонний заряд -1.

Будова[ред.ред. код]

Класичні баріони містять у собі три кварки, що перебувають у стані конфайнменту. Ці кварки називають валентними, і вони визначають квантові числа баріону і його конкретний вид. Проте на кварки припадає лише мала частина маси баріона, наприклад, маси складових кварків протону — від 3 до 6 Мев кожен, тоді як маса самого протону — 938 МеВ. Більша її частина припадає на глюонне поле, що утримує кварки разом. [3] Глюони, мають кольоровий заряд (навідміну від, наприклад, фотонів — квантів електромагнітного поля, що є електрично нейтральними), тому вони теж випромінюють глюони і розпадаються на пари кварк-антикварк. Ці віртуальні кварк-антикваркві пари стають досить помітними у випадку частинок, що рухаються з ультрарелятивістськими швидкостями. В таких випадках доцільніше розглядати баріон як систему, що складається з великої кількості субчастинок різної природи. Ці субчастинки називають партонами.[4]

Властивості[ред.ред. код]

Ізотопічний спін[ред.ред. код]

Докладніше: Ізотопічний спін

Деякі баріони формують кластери з близькими значеннями мас. Всі відмінності між частинками всередині группи спричинені лише різницею в їх заряді (який, в свою чергу, викликає невеликі відмінності в масі). Прикладом такого кластеру є протон і нейтрон - якщо "вимкнути" електромагнітну взаємодію, то вони стають нерозрізненними.[5] Такі групи частинок називають зарядовими мультиплетами. Кожному мультиплету з 2T + 1 членів приписується число T, що може мати 2T + 1 проекцій на деяку вісь в уявному ізотопічному просторі, так само як спін частинки S може мати 2S + 1 проекцій на деяку просторову вісь. Через це, а також через застосовність математичного апарату, що виористовується для описання спіну, це квантове число за аналогією отримало назву ізотопічний спін.

Головною особливістю ізотопічного спіну є той факт, що сильна взаємодія між частинками не зміниться, якщо замінити одну з частинок на іншу частинку її мультиплету. Ця властивість має назву ізотопічна інваріантність.[6]

Концепт ізоспіна був запропонований Вернером Гейзенбергом у 1932 році[7], а в 1937 Юджин Вігнер запропонував йому таку назву.

Тривалість життя[ред.ред. код]

Єдиним баріоном, що не розпадається є протон. Така стабільність пов'язана з тим, що протон є найлегшим з баріонів, а тому, його розпад можливий лише якщо баріонне число не зберігається. Закон збереження баріонного заряду не випливає ні з яких більш фундаментальних принципів, і є чисто емпіричним, тому можливо, що протон все ж таки є нестабільним. Наразі, результати експерименту Супер-Каміоканде дають обмеження знизу на тривалість його життя в 5×1033 років.[8]. Другий баріон, час житя якого не є мікроскопічним - нейтрон. Час його життя складає 885 секунд (майже 15 хвилин). Завдяки такій довгоживучості, ці частинки можуть формувати такі стабільні системи як атомні ядра.

Всі інші баріони розпадаються значно швидше. Найменшу тривалість життя мають так звані резонанси — збуджені стани легших баріонів. Резонанси розпадаються за час, порядку 10-22-10-24 секунди. За такий час світло проходить відстань меншу за діаметр атому, тому таки частинки неможливо помітити безпосередньо у вигляді треків в детекторах, але їх видно як піки на діаграмах розсіяння. Більша частина всіх відомих частинок є резонансами. [9]

Частинки, що знаходяться на нижньому енергетичному рівні не можуть розпадатися за допомогою сильної взаємодії, тому що вона не може змінювати аромат кварків — а єдиний спосіб розпастися для таких частинок, це змінити кварки в своєму складі на більш легкі. Розпад за участі слабкої взаємодії відбувається значно менш активно, тому час життя таких частинок складає 10-10-10-12 секунд. [10]

Час життя античастинок збігається з часом життя їх частинок.

Маса[ред.ред. код]

Маси баріонів є порівняно близькими - найлегший з них, протон, має масу 938 МеВ, тоді як маса найважчого з відкритих, Ωb — 6054 МеВ, тобто, лише в кілька разів більша. Для прикладу, маси мезонів можуть відрізнятися в 70 разів, а маси лептонів - в кілька тисяч разів.

Ароматичні квантові числа[ред.ред. код]

Усього існує 6 ароматів кварків — верхній (u), нижній (d), дивний (s), чарівний (c), красивий (b) і правдивий (t). При цьому складовими баріонів можуть бути лише 5 з них — t-кварк розпадається швидше, ніж встигає адронізуватися.[11]

Кольоровий заряд[ред.ред. код]

Докладніше: Кольоровий заряд

Кварки мають специфічне квантове число, що називається кольором, і може приймати три значення, що умовно позначаються як червоний, зелений і синій (і, відповідно, античервоний, антизелений і антисиній для антикварків). Проте, природа конфайнменту, що утримує кварки всередині баріону така, що сама частинка заряду не має - к кожному баріоні існує по одному кварку кожного кольору, що змішуючись дають білий, тобто нульовий кольоровий заряд.

Спін та орбітальний момент імпульсу[ред.ред. код]

Кожен кварк, з яких складається баріон, має власний спін, що дорівнює 1/2. Спін баріона (квантове число S) дорівнює суммі спінів його компонент, і, відповідно, в залежності від того, як спрямовані спіни окремих кварків, може дорівнювати 1/2 або 3/2. Окрім цього, у деяких з баріонів, кварки мають і орбітальний момент імпульсу (квантове число L), що пов'язаний з їх фізичним рухом всередині частинки. Орбітальний момент є цілим (в одиницях ħ). Відповідно, сумарний момент імпульсу частинки (квантове число J) утворюється як комбінація спіну і орбітального моменту імпульсу, а його абсолютна величина може змінюватися від J = |L − S| до J = |L + S| цілими кроками.[12]

Також у баріонах, кварки яких мають ненульовий орбітальний момент, виникає спін-орбітальна взаємодія, що вносить вклад у магнітний момент баріону. [13]

Для релятивістських баріонів, при обчисленні їх сумарного моменту імпульсу, починають значну роль відігравати глюони і віртуальні кварк-антикваркові пари, що починають бути помітними через релятивістське сповільнення часу. Загалом, навіть для протона, задача визначення природи моменту імпульсу не є до кінця вирішенною.[14]

Баріони, що не мають орбітального моменту є більш стабільними, тому що вони є основними станами для відповідних систем кварків.[15]

Парність[ред.ред. код]

Докладніше: Парність (фізика)

У квантовій фізиці, парністю, називають особливе квантове число частинки, що пов’язане з поведінкою її хвильової функції при відображені в дзеркалі. Також це явище називають або P-інваріантністю.

Якщо ми запишемо рівняння для деякої системи, а потім захочемо записати їх для такої ж системи, але відбитої в дзеркалі, то, окрім того, що хвильові функції частинок будуть відображені дзеркально, деякі з них потрібно буде також помножити на -1. Частинки, для яких така операція потрібна називають непарними, або, що те ж саме, їх парність дорівнює -1.

Парність напряму пов’язана з орбітальним кутовим моментом L:[16]

Тобто, в усі баріони, що мають нульовий орбітальний момент - парні.

Парність не зберігається при слабких взаємодіях, але зберігається при всіх інших.[17]

Класифікація баріонів[ред.ред. код]

Нуклони[ред.ред. код]

Докладніше: Нуклони

Нуклонами називають частинки, що складаються лише з u- і d-кварків, і мають ізоспін 1/2. До нуклонів відносяться протон (кварковий склад uud) і нейтрон (кварковий склад udd), що є складовими частинками ядра, що і дало класу назву. Були відкриті першими з усіх баріонів. Є найбільш стабільними серед усіх відомих баріонів — протон не розпадається взагалі, а нейтрон має середню тривалість життя у 900 секунд. До нуклонів також відносять велику кількість резонансів цих двох частинок.[18]

Дельта-баріони[ред.ред. код]

Докладніше: Дельта-баріон

Дельта-баріонами називають частинки, що складаються лише з u- і d-кварків, і мають ізоспін 3/2.[18] Усі дельта-баріони — резонанси, тобто тривалість їх життя вкрай мала — 5×10-24. Хоча дельта-баріони складаються з тих самих кварків, що і нуклони, їх маса є помітно вищою — 1232 МеВ. Окрім дельта-баріонів складу uud і udd існують частинки uuu і ddd. Заряд таких адронів може складати 0, 1 або 2.

Лямбда-баріони[ред.ред. код]

Докладніше: Лямбда-баріон

Баріони, що складаються з пари кварків ud, а також містять у собі один з кварків другого або третього покоління. Мають ізотопічний спін 0.[18] Можуть бути як електрично заряженими, так і електрично нейтральними. Мають порівняно високу тривалість життя, від 10-10 до 10-13 секунд, через те, що дивність частинок не змінюється під впливом сильної взаємодії, а лише під впливом слабкої. Отримали назву через V-подібну "вилку", що вони залишали в камері Вільсона.

Сигма-баріони[ред.ред. код]

Докладніше: Сигма-баріон

Сигма-баріони, як і лямбда-баріони, мають у своєму складі лише один дивний або більш важкий кварк. Від останніх їх відрізняє значення ізотопічного спіну 1.[18] Їх будова є більш різноманітною, через те, що їх два кварка першого покоління можуть бути dd і uu, а не тільки ud, як у лямбда-частинок. Сигма-баріони, що містять у собі b-кварк досліджені гірше за інші, деякі з них ще не були зафіксовані.

Ксі-баріони[ред.ред. код]

Докладніше: Ксі-баріон

Містять у собі лише один кварк першого покоління. Мають ізоспін 1/2.[18] Також називаються каскадними частинками, через те, що вони дуже швидко розпадаються на інші нестабільні частинки. Частинка Ξb, також відома як каскад B примітна тим, що це перша з відкритих частинок, що складається з кварків усіх трьох поколінь.

Омега-баріони[ред.ред. код]

Докладніше: Омега-баріон

Усі три кварки, що входять до складу омега-баріонів — з другого і третього поколінь. Мають ізоспін 0.[18] Омега-баріони були відкриті пізніше інших, і наразі були зафіксовані лише 3 з них — Ω, Ω0c і Ωb. Усього передбачається існування 10 видів омега-баріонів.

Номенклатура[ред.ред. код]

Окрім протона і нейтрона, що мають спеціальні позначення, усі інші баріони позначаються наступним чином: велика грецька літера, що позначає клас баріона, з нижнім індексом, що позначає всі присутні в частинці важкі кварки (важкими називають c-кварк, b-кварк і t-кварк), і верхнім індексом, що позначає заряд (-, 0, +, ++). Якщо частинка може розпадатися за допомогою сильної взаємодії, то її масса позначається в дужках, наприклад, Σ++c(2455). До позначення частинки, момент імпульсу якої рівний 3/2, додається астеріск (*), якщо існує частинка з тим же кварковим складом, і моментом імпульсу 1/2.[19]

Частинки, що містять у собі принаймні один дивний кварк, але не містять більш важких кварків називають гіперонами. До цього класу можуть відноситися частинки всіх представлених вище груп (окрім нуклонів і дельта-баріонів), які, в такому випадку, називають, відповідно, лямбда-гіперони, сігма-гіперони і т.д.

Баріогенезис[ред.ред. код]

Баріогенезисом називають період життя всесвіту, під час якого активно проходили гіпотетичні реакції, що призвели до превалювання матерії над антиматерією.

Є значні підстави вважати, що у деяких випадках закон збереження баріонного числа не виконується. Головною причиною цього є асиметрія розподілу речовини і антиречовини - практично вся матерія, яку ми спостерігаємо представлена лише першою. За підрахунками, на мільярд пар частинка-античастинка припадає один зайвий баріон. Спостереження показують, що такий розподіл мав місце вже через 400 000 років після Великого Вибуху.[20] У 1967 році Андрєм Сахаровим було сформульовано три умови, що мають виконуватися для того, щоб ця асиметрія могла з'явитися:

  • Баріонне число не зберігається (або, еквівалентна умова, протон є нестабільним)
  • С- і CP-симетрія порушується
  • На початкових стадіях життя Всесвіту термоинамічна рівновага була порушеною[21]

Подальший розвиток ці ідеї отримали у теорії Великого Об’єднання,

Наразі експериментально доведено, що друга умова є справедливою — CP-інваріантність порушується, наприклад, при розпаді К-мезонів і В-мезонів.

Баріонне число допокищо зберігалося в усіх спостереженнях. Теорія Великого Об’єднання, що пов’язує електромагнітну, слабку і сильну взаємодію передбачає незбереження баріонного числа при енергіях порядку 1015 ГеВ. У 1985 році В. А. Кузьмін, В. А. Рубаков і М. Е. Шапошников побудували модель, згідно якої баріонне число може не зберігатися при процесах значно нижчої енергії, аж до 100 ГеВ.[21]

Баріогенезис проходив, ймовірно, невдовзі після епохи космічної інфляції, але, вочевидь, до епохи первісного нуклеосинтезу. Зазвичай, його розміщують на проміжку від 10-32 до 10-6 секунди після Великого Вибуху.[22][23][24]

Роль баріонів у Всесвіті[ред.ред. код]

Розподіл різних видів матерію за масою згідно даних з супутника WMAP

Хоча баріони утворюють більшу частину матерії, яку ми спостерігаємо навколо, останні дослідження показують, що у масштабах Всесвіту баріонна матерія складає лише близько 4,6%, а решта припадає на темну матерію і темну енергію, природа яких ще не є зрозумілою. [25]

Примітки[ред.ред. код]

  1. R. Aaij et al. (LHCb collaboration) (2015). Observation of J/ψp resonances consistent with pentaquark states in Λ0b→J/ψKp decays. Physical Review Letters 115 (7). arXiv:1507.03414. Bibcode:2015PhRvL.115g2001A. doi:10.1103/PhysRevLett.115.072001. 
  2. Modeling pentaquark and heptaquark states(англ.)
  3. Многоликий протон
  4. Партоны и партонные плотности(рос.)
  5. Изотопический спин
  6. изотопическая инвариантность
  7. Изотопический спин(рос.)
  8. Search for proton decay via p→νK+ using 260  kiloton·year data of Super-Kamiokande(англ.)
  9. Барионы и барионные резонансы
  10. [1]
  11. Evidence for production of single top quarks(англ.)
  12. Comparing and Improving Quark Models for the Triply Bottom Baryon Spectrumангл.
  13. спин-орбитальная связь кварков и магнитные моменты барионов(рос.)
  14. Так из чего всё-таки складывается спин протона?(рос.)
  15. Baryon resonances and strong QCD(англ.)
  16. Четность(рос.)
  17. Parity(англ.)
  18. а б в г д е NAMING SCHEME FOR HADRONS(англ.)
  19. Hadron Nomenclature(англ.)
  20. Baryogenesis. A small review of the big picture(англ.)
  21. а б Сахаров и космология(рос.)
  22. TIMELINE OF THE BIG BANG(англ.)
  23. Big Bang Timeline(англ.)
  24. Brief History of the Universe(англ.)
  25. Wilkinson Microwave Anisotropy Probe

Джерела[ред.ред. код]

  • Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. (1979). Субатомная физика. Москва: Мир. 

Посилання[ред.ред. код]

  • (англ.) Baryons — таблиця властивостей баріонів.