Адроны. Элементарные частицы. Барионы и мезоны. Классификация и свойства. Адроны Наивная кварковая модель
Адроны - общее название для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - мезоны и барионы.
Барионы (от греческого слова, означающего «тяжелый») - это адроны с полуцелым спином (см. Спин). Самые известные барионы - протон и нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда‑то странностью. Единицей странности обладают барион лямбда (Λ 0) и семейство барионов сигма (Σ − , Σ + и Σ 0). Индексы +, −, 0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обладают барионы кси (Ξ − и Ξ +). Барион Ω − имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около 10 −10 с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микромира это не так. Такая частица, даже двигаясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оставить свой след в детекторе элементарных частиц (см. Детекторы ядерных излучений). Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антибарионов (см. Четность, Пептоны, Протон).
Мезоны - адроны с целым спином. Название произошло от греческого слова, означающего «средний», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Легчайшие из мезонов - пионы, или пи‑мезоны π − , π + и π 0 . Их массы примерно в 6–7 раз меньше массы протона. Более массивны странные мезоны - каоны K + , K − и K 0: их массы почти в два раза меньше массы протона. Характерное время жизни этих мезонов - 10 −8 с.
Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма - минус Σ − имеет античастицу антисигма - плюс Σ̃ + , которая отлична от Σ + . То же самое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколько иначе: отрицательный пион - античастица положительного пиона, а нейтральный пион античастицы вообще не имеет, поскольку является античастицей сам себе. В то же время нейтральный каон K 0 имеет античастицу K̃ 0 . Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов (см. Кварки).
Мир адронов огромен - он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабильны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка 10 −23 с. Это - характерное время сильных взаимодействий; за столь короткий интервал даже свет успевает пройти расстояние, равное всего лишь радиусу протона (10 −13 см). Ясно, что столь короткоживущие частицы не могут оставить следов в детекторах. Обычно их рождение обнаруживают по косвенным признакам. Например, изучают реакцию аннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения электронов и позитронов, обнаруживают, что при каком‑то значении энергии выход адронов вдруг резко увеличивается. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица, масса которой равна соответствующей энергии (с точностью до множителя c 2). Эта частица мгновенно распадется на другие адроны, и единственным следом её появления останется пик на графике зависимости вероятности рождения адронов от энергии столкновения. Такие короткоживущие частицы называют резонансами. Большинство барионов и мезонов - резонансы. Они не оставляют «автографов» в камерах и на фотографиях, и все же физикам удается изучать их свойства: определять массу, время жизни, спин, четность, способы распада и т. п.
По современным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами. Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трех кварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и всегда отличен от бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в состав которых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметь античастиц. Кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем (см. Сильные взаимодействия). В принципе теория допускает существование других адронов, построенных из большего числа кварков или, наоборот, из одного глюонного поля. В последнее время появились некоторые экспериментальные данные о возможном существовании таких гипотетических частиц.
Динамическая теория кварков, описывающая их взаимодействия, стала развиваться относительно недавно. Первоначально кварковая модель была предложена для «наведения порядка» в слишком многочисленном семействе адронов. Эта модель включала кварки трех видов, или, как принято говорить, ароматов. С помощью кварков удалось навести порядок в многочисленном семействе адронов, распределив их в группы частиц, называемые мультиплетами. Частицы одного мультиплета имеют близкие массы, но не только это послужило основой их классификации; кроме опытных данных в этом случае использовали специальный математический аппарат теории групп.
В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описания всех адронов. В 1974 г. были открыты так называемые пси‑мезоны, состоящие из кварка и антикварка нового вида (cc̃). Этот аромат был назван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался гораздо тяжелее своих «собратьев»: легчайшая из пси‑частиц - мезон J/ψ - имеет массу 3097 МэВ, т. е. в 3 раза тяжелее протона. Время её жизни около 10 −20 с. Было открыто целое семейство пси‑мезонов с тем же кварковым составом сс, но находящихся в возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих большие массы. Было очевидно, что должны существовать и связанные состояния c‑кварка с кварками других ароматов. В такого рода частицах «очарование» c‑кварка не будет компенсироваться «антиочарованием» c̃‑кварка, как это происходит в пси‑мезонах. Поэтому такие частицы получили название очарованных мезонов. Сейчас почти все они уже открыты. Упомянем для примера очарованный странный мезон F +20 с кварковым составом cs̃, имеющий массу 2021 МэВ. Теория предсказывает также существование около 20 очарованных барионов, некоторые из них уже найдены в опытах, например барион Λ c + с составом c̃ud и массой 2282 МэВ.
Существование очарованного кварка было предсказано теоретиками, поскольку выяснилось, что кварки должны встречаться парами, дублетами. Неожиданно оказалось, что природа не ограничилась двумя кварковыми дублетами. В 1977 г. были открыты ипсилон‑мезоны, состоящие из кварка и антикварка пятого вида b. Новый аромат получил название прелесть. Прелестные кварки еще более массивны, чем очарованные. Масса первой из ипсилон‑мезонов частицы Y составляет 9456 МэВ. Это самая легкая частица из семейства ипсилонов (сейчас известны четыре частицы этого семейства с кварковым составом bb̃), но и она в 10 раз (!) тяжелее протона. В самое последнее время стало известно об открытии прелестных мезонов, в которых b‑кварк соединен с антикварком другого аромата; например, B −20 ‑мезон имеет состав bũ. Масса прелестных мезонов порядка 5274 МэВ. Ожидается, что b‑кварк также образует кварковый дублет с еще более массивным t‑кварком, пока еще не обнаруженным экспериментально.
Адроны - общее название для частиц, участвующих в сильных взаимодействиях. Название происходит от греческого слова, означающего «сильный, крупный». Все адроны делятся на две большие группы - мезоны и барионы.
Барионы (от греческого слова, означающего «тяжелый») - это адроны с полуцелым спином (см. Спин). Самые известные барионы - протон и нейтрон. К барионам принадлежит также ряд частиц с квантовым числом, названным когда-то странностью.
Единицей странности обладают барион лямбда и семейство барионов сигма (). Индексы +, - и 0 указывают на знак электрического заряда или нейтральность частицы. Двумя единицами странности обладают барионы ион ( и ). Барион имеет странность, равную трем. Массы перечисленных барионов примерно в полтора раза больше массы протона, а их характерное время жизни составляет около с. Напомним, что протон практически стабилен, а нейтрон живет более 15 мин. Казалось бы, более тяжелые барионы очень недолговечны, но по масштабам микромира это не так. Такая частица, даже двигаясь относительно медленно, со скоростью, скажем, равной 10% от световой, успевает пройти путь в несколько миллиметров и оставить свой след в детекторе элементарных частиц (см. Детекторы ядерных излучений). Одним из свойств барионов, отличающих их от других видов частиц, можно считать наличие у них сохраняющегося барионного заряда. Эта величина введена для описания опытного факта постоянства во всех известных процессах разности между числом барионов и антибарионов (см. Четность, Пептоны, Протон).
Мезоны - адроны с целым спином. Название произошло от греческого слова, означающего «средний», поскольку массы первых открытых мезонов имели промежуточные значения между массами протона и электрона. Барионный заряд мезонов равен нулю. Легчайшие из мезонов - пионы, или пи-мезоны и . Их массы примерно в 6-7 раз меньше массы протона. Более массивны странные мезоны - каоны и : их массы почти в два раза меньше массы протона. Характерное время жизни этих мезонов - с.
Почти все адроны имеют античастицы. Так, барион сигма-минус имеет античастицу антисигма-плюс , которая отлична от . То же самое можно сказать и о других барионах. С мезонами дело обстоит несколько иначе: отрицательный пион - античастица положительного пиона, а нейтральный пион античастицы вбобще не имеет, поскольку является античастицей сам себе. В то же время нейтральный каон имеет античастицу . Эти факты получают объяснение в кварковой модели адронов (см. Кварки).
Мир адронов огромен - он включает более 350 частиц. Большинство их очень нестабильны: они распадаются на более легкие адроны за время порядка . Это - характерное время сильных взаимодействий; за столь короткий интервал даже свет успевает пройти расстояние, равное всего лишь радиусу протона ( см). Ясно, что столь короткоживущие частицы не могут оставить следов в детекторах.
Обычно их рождение обнаруживают по косвенным признакам. Например, изучают реакцию аннигиляции электронов и позитронов с последующим рождением адронов. Изменяя энергию столкновения электронов и позитронов, обнаруживают, что при каком-то значении энергии выход адронов вдруг резко увеличивается. Данный факт можно объяснить тем, что в промежуточном состоянии родилась частица, масса которой равна соответствующей энергии (с точностью до множителя ). Эта частица мгновенно распадется на другие адроны, и единственным следом ее появления останется пик на графике зависимости вероятности рождения адронов от энергии столкновения.
Такие короткоживущие частицы называют резонансами. Большинство барионов и мезонов - резонансы. Они не оставляют «автографов» в камерах и на фотографиях, и все же физикам удается изучать их свойства: определять массу, время жизни, спин, четность, способы распада и т. п.
По современным представлениям адроны не являются истинно элементарными частицами. Они имеют конечные размеры и сложную структуру. Барионы состоят из трех кварков. Соответственно антибарион состоит из трех антикварков и всегда отличен от бариона. Мезоны построены из кварка и антикварка. Ясно, что мезоны, в состав которых входят пары из кварков и антикварков одного сорта, не будут иметь античастиц. Кварки удерживаются внутри адронов глюонным полем (см. Сильные взаимодействия). В принципе теория допускает существование других адронов, построенных из большего числа кварков или, наоборот, из одного глюонного поля. В последнее время появились некоторые экспериментальные данные о возможном существовании таких гипотетических частиц.
Динамическая теория кварков, описывающая их взаимодействия, стала развиваться относительно недавно. Первоначально кварковая модель была предложена для «наведения порядка» в слишком многочисленном семействе адронов. Эта модель включала кварки трех видов, или, как принято говорить, ароматов. С помощью кварков удалось навести порядок в многочисленном семействе адронов, распределив их в группы частиц, называемые мультиплетами. Частицы одного мультиплета имеют близкие массы, но не только это послужило основой их классификации; кроме опытных данных в этом случае использовали специальный математический аппарат теории групп. В дальнейшем оказалось, что трех кварковых ароматов недостаточно для описания всех адронов. В 1974 г. были открыты так называемые пси-мезоны, состоящие из кварка и антикварка нового вида . Этот аромат был назван очарованием. Новый очарованный кварк с оказался гораздо тяжелее своих "собратьев": легчайшая из пси-частиц - мезон имеет массу 3097 МэВ, т. е. в 3 раза тяжелее протона. Время ее жизни около . Было открыто целое семейство пси-мезонов с тем же кварковым составом , но находящихся в возбужденных состояниях и вследствие этого имеющих большие массы. Было очевидно, что должны существовать и связанные состояния с-кварка с кварками других ароматов. В такого рода частицах «очарование» с-кварка не будет компенсироваться «антиочарованием» -кварка, как это происходит в пси-мезонах. Поэтому такие частицы получили название очарованных мезонов.
АДРОНЫ (от греческого αδρ?ς - большой, сильный), частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. К адронам относятся мезоны и барионы (в том числе протон и нейтрон). Адроны следует отличать от атомных ядер, которые состоят из двух и большего числа нуклонов.
Адроны не элементарны, они состоят из кварков. Наиболее хорошо изученные барионы состоят из трёх кварков, а мезоны - из кварка и антикварка, «склеенных» глюонами. Все известные адроны состоят из шести типов (или, как часто говорят, ароматов) кварков, обозначаемых буквами u, d, s, с, b, t. Нуклоны состоят из самых лёгких кварков: u и d (так, протон р и нейтрон n представляются в виде р = uud, n = ddu). Барионы, содержащие более тяжёлые кварки (s, с, b), называют гиперонами. Взаимодействие глюонов с кварками и глюонов с глюонами обусловлено наличием у кварков, антикварков и глюонов специфических зарядов, называемых цветными зарядами (или цветом). Теория, описывающая эти взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой (КХД).
Кварк каждого аромата существует в виде трёх цветовых разновидностей (красный, жёлтый, синий). Цвета антикварков дополнительны (оранжевый, зелёный, фиолетовый). Каждый из восьми глюонов несёт двойной цветовой заряд, например, красно-оранжевый, жёлто-синий и так далее. Названия цветов условны, но приведённый выше выбор в соответствии с принятой в оптике терминологией удобен тем, что при этом адроны (не обладающие цветовыми зарядами) естественно называть бесцветными или белыми частицами. Цветные частицы кварки, антикварки, глюоны - как бы заключены внутри белых адронов. Это явление называют конфайнментом. Последовательная теория конфайнмента в рамках КХД пока не построена. Следствием конфайнмента является то, что в столкновениях адронов высоких энергий друг с другом или с другими частицами - фотонами или лептонами - рождаются адроны, но не свободные кварки и глюоны.
На ускорителях частиц высоких энергий ведутся поиски так называемых экзотических адронов, структура которых более сложна, чем три кварка в случае барионов и кварк-антикварк в случае мезонов. Экзотические мезоны, состоящие только из глюонов, называются глюболами.
Адроны, содержащие в дополнение к минимальному числу кварков ещё и глюон, называются гибридами. Так как электрический заряд глюонов равен нулю, и они не обладают ароматом, глюболы должны быть электрически нейтральны, а гибриды должны иметь тот же аромат, что и соответствующий адрон, не содержащий дополнительного глюона. Вместо дополнительного глюона экзотический адрон может содержать пару кварк-антикварк (например, uu или ds, где чёрточка над символом кварка означает антикварк). В первом случае аромат экзотического адрона совпадает с ароматом основного, во втором отличается от него.
Исторически первыми изученными адронами были нуклоны (протон и нейтрон) и самые лёгкие из мезонов - пи-мезоны, открытые в 1947 году. В 1950-х годах открыты странные частицы. Их изучение и систематизация привели в 1964 году к созданию кварковой модели адронов, а s-кварк, входящий в состав странных частиц, получил название странного кварка. В 1974 году открыт первый мезон, содержащий очарованные кварк с и антикварк с (смотри Очарованные частицы). Такие мезоны названы мезонами со скрытым очарованием (чармом). Вслед за этим открыты мезоны с явным очарованием, типа eu или cd. В 1976 году открыты первые мезоны типа bb, а затем мезоны типа bu, bd, bs и др. В 1984 году на протон-антипротонном коллайдере рождены пары самых тяжёлых кварков t и t. Масса t-кварка около 175 ГэВ, его время жизни настолько мало (порядка 10 -24 с), что он не успевает образовать соответствующие адроны ни с t-кварком, ни с более лёгкими кварками, сопровождающими его рождение.
Лит.: Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. 2-е изд. М., 1988.