I bob. Elementar zarralar fizikasi. Zarralar klassifikatsiyasi

1.2.Adronlarning xususiyatlari.Massasi va zaryadi
Hadron dunyosi juda katta - u 350 dan ortiq zarralarni o'z ichiga oladi. Ularning aksariyati juda beqaror: ular 10 −23 sekund vaqt ichida engilroq adronlarga parchalanadi. Bu kuchli shovqinlarning xarakterli vaqti; shunday qisqa oraliqda, hatto yorug'lik faqat proton radiusi (10 −13 sm) ga teng masofani bosib o'tish uchun vaqtga ega. Bunday qisqa muddatli zarralar detektorlarda iz qoldira olmasligi aniq. Odatda ularning tug'ilishi bilvosita belgilar bilan aniqlanadi. Masalan, ular elektronlar va pozitronlarning keyinchalik adronlar hosil bo'lishi bilan annigilyatsiya reaktsiyasini o'rganadilar.
Elektronlar va pozitronlarning to'qnashuv energiyasini o'zgartirib, energiyaning qaysidir qiymatida adronlarning unumi birdaniga keskin oshib borishi aniqlanadi. Bu haqiqatni zarrachaning oraliq holatda tug'ilishi bilan izohlash mumkin, uning massasi tegishli energiyaga teng (c 2 omilgacha). Bu zarracha bir zumda boshqa adronlarga parchalanadi va uning paydo bo'lishining yagona izi adron hosil bo'lish ehtimolining to'qnashuv energiyasiga bog'liqligi grafigidagi eng yuqori nuqta bo'ladi. Bunday qisqa muddatli zarralar rezonans deb ataladi. Aksariyat barionlar va mezonlar rezonansdir.
Ular kameralar va fotosuratlarda "avtograflar" qoldirmaydilar, ammo fiziklar ularning xususiyatlarini o'rganishga muvaffaq bo'lishadi: ularning massasini, umrini, spinini, paritetini, parchalanish usullarini va boshqalarni aniqlaydilar tomonidan zamonaviy g'oyalar adronlar haqiqiy elementar zarralar emas. Ular cheklangan o'lchamlarga va murakkab tuzilmalarga ega. Barionlar uchta kvarkdan iborat. Shunga ko'ra, antibarion uchta antikvarkdan iborat va har doim bariondan farq qiladi. Mezonlar kvark va antikvarkdan qurilgan. Bir xil turdagi kvarklar va antikvarklar juftligini o'z ichiga olgan mezonlarda antizarralar bo'lmasligi aniq.
Kvarklar adronlar ichida glyuon maydoni tomonidan ushlab turiladi (qarang: Kuchli oʻzaro taʼsirlar). Asosan, nazariya ko'proq kvarklardan yoki aksincha, bitta glyuon maydonidan qurilgan boshqa adronlarning mavjudligiga imkon beradi. Yaqinda bunday gipotetik zarralarning mavjudligi haqida ba'zi eksperimental ma'lumotlar paydo bo'ldi.Kvarklarning o'zaro ta'sirini tavsiflovchi dinamik nazariyasi nisbatan yaqinda rivojlana boshladi. Kvark modeli dastlab hadronlar oilalarida "tartibga solish" uchun taklif qilingan. Ushbu model uch turdagi kvarklarni yoki ular aytganidek, lazzatlarni o'z ichiga olgan. Kvarklar yordamida adronlarning ko'p sonli oilasini tartibga solish, ularni multipletlar deb ataladigan zarralar guruhlariga taqsimlash mumkin edi. Bir multipletning zarralari yaqin massaga ega, ammo bu nafaqat ularning tasnifi uchun asos bo'lib xizmat qildi; eksperimental ma'lumotlarga qo'shimcha ravishda, bu holda, guruh nazariyasining maxsus matematik apparati ishlatilgan.
Keyinchalik ma'lum bo'ldiki, uchta kvark ta'mi barcha adronlarni tasvirlash uchun etarli emas. 1974 yilda yangi turdagi kvark va antikvarkdan (cc̃) tashkil topgan psi-mezonlar topildi. Bu xushbo'y hid sehr deb ataladi. Yangi maftunkor kvark c o'zining "akalaridan" ancha og'irroq bo'lib chiqdi: eng engil psi-zarralar - J / p mezonning massasi 3097 MeV, ya'ni protondan 3 baravar og'irroq. Uning ishlash muddati taxminan 10-20 s. Psi-mezonlarning butun oilasi bir xil kvark tarkibi cc bilan, lekin hayajonlangan holatda va natijada katta massaga ega bo'lgan holda topildi. S-kvarkning boshqa lazzatlarning kvarklari bilan bog'langan holatlari ham mavjud bo'lishi aniq edi.
Bunday zarrachalarda c-kvarkning "jozibasi" psi-mezonlarda bo'lgani kabi, c-kvarkning "anti-jozibasi" bilan qoplanmaydi. Shuning uchun bunday zarralar maftunkor mezonlar deb ataladi. Endi ularning deyarli barchasi allaqachon ochiq. Misol uchun, 2021 MeV massaga ega bo'lgan kvark tarkibi cs̃ bo'lgan sehrlangan g'alati F +20 mezonini eslatib o'tamiz. Nazariya shuningdek, 20 ga yaqin maftunkor barionlarning mavjudligini bashorat qiladi, ularning ba'zilari allaqachon tajribalarda topilgan, masalan, c̃ud tarkibi va massasi 2282 MeV bo'lgan l c + barion.Maftunkor kvarkning mavjudligini nazariyotchilar bashorat qilishgan, chunki ma'lum bo'lishicha, kvarklar juft, dublet bo'lib uchrashishi kerak. Kutilmaganda tabiat ikkita kvark dublet bilan chegaralanmaganligi ma'lum bo'ldi. 1977 yilda beshinchi turdagi b kvark va antikvarkdan tashkil topgan upsilon mezonlari topildi. Yangi xushbo'y hid delight deb ataladi.
Chiroyli kvarklar sehrlanganlardan ham kattaroqdir. Y zarrachaning yuqori mezonlarining birinchisining massasi 9456 MeV. U upsilon turkumidagi eng yengil zarradir (bu oilaning kvark tarkibi bb̃ boʻlgan toʻrtta zarrasi hozir maʼlum), lekin u ham protondan 10 marta (!) ogʻirroqdir. Yaqinda u maftunkor mezonlarning kashf etilishi haqida ma'lum bo'ldi, ularda b-kvark boshqa ta'mga ega antikvark bilan birlashtirilgan; masalan, B -20 -mezon bũ tarkibiga ega. Chiroyli mezonlarning massasi 5274 MeV ni tashkil qiladi. b-kvark, shuningdek, tajribada hali kashf etilmagan undan ham kattaroq t-kvarkga ega bo'lgan kvark dubletini hosil qilishi kutilmoqda.
Adronlar ikki guruhga bo'linadi: mezonlar (s = 0, 1, kuchli o'zaro ta'sirda ishtirok etadi) va barionlar (s = 1/2, 3/2, kuchli o'zaro ta'sirda ishtirok etadi). Barionlar nuklonlarga (s = 1/2) va giperonlarga (s = 1/2, 3/2) bo'linadi.Nima uchun birlashgan kvark tuzilmalarining bunday cheklangan to'plami - uch-kvark va kvark-antikvark holatlari mavjud? Bu savolga javob berish uchun siz kontseptsiyani aniqlab olishingiz kerak rangsiz holat... Kvark modelining asl nusxasida "rang" tushunchasi mavjud emas edi. Asl model adronlarning butun katta oilasini atigi uchta kvark kombinatsiyasida - qqq (barionlar), (antibaryonlar) va qda ifodalay oldi. (mezonlar). Biroq, nima uchun kvarklarning boshqa birikmalari, masalan, qq, qq, q, qqqq, qq, q va boshqalar tushunarsizligicha qoldi. tabiatda emas va alohida kvarklarning o'zlari kuzatilmaydi. Bundan tashqari, uchta bir xil kvarklarning barionlari ma'lum edi - uuu (D ++ -rezonans), ddd (D - -rezonans), sss (Ō - -hyperon), bunda kvarklar bir xil kvant holatlarida bo'lib, Pauli ga zid edi. tamoyil.
Kvark modelining dastlabki versiyasining barcha bu qiyinchiliklari kvarklar uchun boshqa kvant sonini kiritish orqali bartaraf etildi. rang... Bir xil lazzatdagi uchta kvarkdan qurilgan barionlar uchun Pauli printsipini tiklash uchun ushbu kvant soni uchta mumkin bo'lgan qiymatga ega bo'lishi kerak edi. Ushbu uchta mumkin bo'lgan rang qiymati - qizil (k), yashil (h) va ko'k (s) - uch o'lchovli rang maydonida (K, Z. C bilan) rang aylanishining uchta proektsiyasi sifatida ko'rish mumkin. boltalar).
Rangning kiritilishi bilan D ++ rezonansi, masalan, turli rang holatlaridagi uchta u-kvarkning kombinatsiyasi sifatida ifodalanishi mumkin: D ++ = u k u z u s. Bu Pauli printsipi adron fizikasida ham amal qilishini anglatardi. Biroq, uchta qimmatli rang bilan cheklanib qolish mumkin emas edi. Yana bitta muammo bor edi. Agar u sizga z u s - bu D ++ -rezonansning yagona variantidir, keyin Pauli printsipini buzmasdan proton uchun bir nechta nomzodlarni taklif qilish mumkin: bitta proton holati va yangi kvant sonining "rangi" ning kiritilishi kuzatilgan holatlar sonini ko'paytirmasligi kerak.
Bu vaziyatdan chiqish yo'li haqida postulatni qabul qilish edi rangsizlik adronlarning kvant holatlari kuzatildi. Adronlarning rangsizligi turli rangdagi kvarklarning teng og'irliklar bilan ifodalanishini anglatadi. Bunday rangsiz holatlar rangli singl deb ataladi. Ular uch o'lchamli rang maydonidagi o'zgarishlarga nisbatan o'zgarmasdir. Agar kvarkning rang ko'rsatkichi uchta qiymatni qabul qilsa a = 1, 2, 3, unda bunday o'zgarishlar shaklga ega bo'ladi.
rang holatlari ortonormal bo'lishi sharti bilan

Bu erda (*) murakkab konjugatsiyani bildiradi va d bg Kronecker belgisidir.
Rangli kvarklardan farqli o'laroq, ularning kuzatilgan birikmalari - adronlar doimo rangsizdir. Ularda barcha kvark ranglari bir xil og'irliklar bilan ifodalanadi. Bu optikadagi rang va simli rang o'rtasidagi o'xshashlikdir. Ikkala holatda ham uchta asosiy rangning teng aralashmasi rangsiz (oq) kombinatsiyani beradi.
Keling, adronlarning Y to'lqin funksiyalarida kvarklarning rangdagi erkinlik darajalarini qanday hisobga olish kerakligi haqidagi savolni ko'rib chiqaylik.
Bu erkinlik darajalari boshqa kvark erkinlik darajalariga - fazoviy koordinatalarga, spinga va lazzatga bog'liq emasligi sababli. jami hadron to'lqin funksiyasining rang qismini ps rang forma faktorida ajratish mumkin:
r = ps rangi F,
Bu erda F - fazoviy ( bo'sh joy), aylanish ( aylanish) va aromatik ( lazzat) kvarklarning erkinlik darajalari. Shaklni ps rangini o'rnatamiz. Bu mezonlar va barionlar uchun farq qiladi.
q mezonlarning kvark tuzilishi.
Mezon rangsiz bo'lishi uchun undagi kvarkning (antikvark) barcha mumkin bo'lgan ranglari bir xil og'irlikda ifodalanishi kerak, bu mezonning rang tuzilishini ~ (k + s + c) beradi. Shuning uchun mezonning turidan (kvark tarkibi) qat'i nazar, uning to'lqin funktsiyasining rang qismi, normalizatsiyani hisobga olgan holda, shaklga ega.

Baryon rangli to'lqin funktsiyasi shaklini o'rnatishda Pauli printsipini hisobga olish kerak. Barionning tarkibi bir xil kvarklarni o'z ichiga olishi mumkin va kvarklar fermionlar bo'lgani uchun bunday barionlarda bu kvarklar bir xil kvant holatlarida bo'lmasligi kerak. Mezonlarga kelsak, bunday cheklov yo'q, chunki ular faqat turli xil zarralarni o'z ichiga oladi - kvark va antikvark. Bu shuni anglatadiki, bir xil ta'mga ega bo'lgan kvarklarni o'z ichiga olgan barionning to'lqin funktsiyasi, bu kvarklar almashtirilganda antisimmetrik bo'lishi kerak.
Keling, uchta u-kvarkdan tashkil topgan D ++ rezonansi misolida vaziyatni ko'rib chiqaylik. Uning spin pariteti J P = 3/2 +. Tajribalar shuni ko'rsatdiki, uning to'lqin funksiyasi kvarklarning fazoviy koordinatalarida simmetrik bo'lib, tugunlari yo'q. Binobarin, kvarklarning orbital burchak momenti L = 0 va umumiy burchak impulsi J P = 3/2 butunlay bir yo'nalishda yo'naltirilgan kvark spinlari () hisobiga bo'ladi. Ushbu aylanish holati simmetrikdir.
Demak, kosmik-spin-aroma D ++ rezonans F ning to'lqin funksiyasi bu uchta o'zgaruvchida simmetrikdir. Tajriba shuni ko'rsatadiki, bu bayonot barcha baryonlar uchun to'g'ri keladi, ya'ni. barcha barionlar har qanday ikkita kvarkning fazoviy koordinatalarini, spinlarini va lazzatlarini bir vaqtning o'zida qayta tartibga solishga butunlay simmetrik bo'lgan to'lqin funktsiyalariga ega. Umuman antisimmetrik bo'lishi uchun har qanday barionning umumiy to'lqin funksiyasi Y tarkibida antisimmetrik rang funktsiyasi ps rang bo'lishi kerak. Normallashtirilgan antisimmetrik barion rangli to'lqin funktsiyasi shaklga ega
Bunday rang funktsiyasi avtomatik ravishda Pauli printsipining bajarilishini ta'minlaydi, bu butunlay bir xil kvant holatlarida bir xil lazzatning kvarklarini o'z ichiga olgan barionning mavjudligini taqiqlaydi. Aromatik rang D ++ rezonansining to'lqin funksiyasi shaklga ega D ++ rezonans to'lqin funktsiyasining kerakli antisimmetriyasi olinadi. Rangi antisimmetrik, fazoviy koordinatalarda simmetrik (kvarklarning orbital momentlari nolga teng) va spinlar (). Shunday qilib, D ++ rezonansi Y to'lqin funksiyasi bir xil fermionlarni o'z ichiga olgan tizimlar uchun bo'lishi kerak bo'lganidek, umuman antisimmetrikdir. Bu holat uchun Pauli printsipining bajarilishini tekshirish oson. Yashil u-kvark qizil rangga aylansin: u s → u k.U holda D ++ ‑ rezonansda bir xil holatda ikkita qizil u kvark bo'ladi. Bunday holda, D ++ rezonansning to'lqin funktsiyasi yo'qoladi.