Model Quark - Quark model

z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Obrázek 1: pseudoscalar meson noneta. Členové původního mezonu „oktet“ jsou zobrazeni zeleně, singlet purpurově. Ačkoli jsou tyto mezony nyní seskupeny do noneta, název Osminásobné cesty je odvozen od vzorů osmi pro mezony a baryony v původním klasifikačním schématu.

Ve fyzice částic je model kvarku klasifikačním schématem pro hadrony, pokud jde o jejich valenční kvarky - kvarky a antikvary, které způsobují kvantová čísla hadronů. Model kvarku je základem „příchuť SU (3)“ , neboli Eightfold Way , úspěšného klasifikačního schématu organizujícího velké množství lehčích hadronů, které byly objeveny od 50. let a pokračují až do 60. let. To dostalo experimentální ověření začínající koncem šedesátých let a dodnes je platnou účinnou klasifikací. Model nezávisle navrhli fyzici Murray Gell-Mann , který je ve stručném článku nazval „kvarky“, a George Zweig , který v delším rukopisu navrhl „esa“. André Petermann se také dotkl ústředních myšlenek z let 1963 až 1965, aniž by musel kvantitativně zdůvodňovat. Dnes byl tento model v podstatě absorbován jako součást zavedené kvantové teorie pole silných a elektroslabých interakcí částic, přezdívaná Standardní model .

Hadrony nejsou ve skutečnosti „základní“ a lze je považovat za vázané stavy jejich „valenčních kvarků“ a antikvarků, které vedou ke kvantovému počtu hadronů. Tato kvantová čísla jsou štítky identifikující hadrony a jsou dvojího druhu. Jedna sada pochází z Poincarého symetrie - J PC , kde J , P a C představují celkovou moment hybnosti , P-symetrii a C-symetrii .

Druhou sadou jsou kvantová čísla příchutí , jako je isospin , podivnost , kouzlo atd. Silné interakce, které váží kvarky dohromady, jsou vůči těmto kvantovým číslům necitlivé, takže jejich variace vede k systematické hmotnosti a vazebným vztahům mezi hadrony ve stejném multipletu příchutí.

Všechny kvarky mají přiřazeno baryonové číslo ⅓. Nahoru , kouzlo a vrchní kvarky mají elektrický náboj + ⅔, zatímco spodní , podivné a dolní kvarky mají elektrický náboj −⅓. Antikvarky mají opačná kvantová čísla. Kvarky jsou spin-½ částice, a tedy fermiony . Každý kvark nebo antikvark se individuálně řídí vzorcem Gell-Mann-Nishijima, takže jakákoli jejich aditivní sestava bude také.

Mezony jsou vytvořeny z dvojice valenční kvark - antikvark (mají tedy baryonové číslo 0), zatímco baryony jsou vyrobeny ze tří kvarků (mají tedy baryonové číslo 1). Tento článek pojednává o kvarkovém modelu pro nahoru, dolů a podivné příchutě tvarohu (které tvoří přibližnou symetrii příchuti SU (3) ). Existuje zobecnění pro větší počet příchutí.

Dějiny

Vývoj klasifikačních schémat pro hadrony se stal aktuální otázkou poté, co nové experimentální techniky odhalily tolik z nich, že bylo jasné, že nemohou být všechny elementární. Tyto objevy vedly Wolfganga Pauliho k vykřiknutí: „Kdybych to předvídal, šel bych do botaniky.“ a Enrico Fermi, aby poradili svému studentovi Leonu Ledermanovi : „Mladý muži, kdybych si pamatoval jména těchto částic, byl bych botanikem.“ Tato nová schémata získala Nobelovu cenu pro experimentální částicové fyziky, včetně Luise Alvareze , který byl v čele mnoha z těchto vývojových procesů. Konstrukce hadronů jako vázaných států s menším počtem složek by tak organizovala „zoo“ po ruce. Několik prvních návrhů, jako například návrhy Enrica Fermiho a Chen-Ning Yanga (1949) a model Sakata (1956), nakonec uspokojivě pokryly mezony, ale u baryonů selhaly, a proto nebyly schopny vysvětlit všechna data.

Gell-Mann-Nishijima formule , vyvinutý Murray Gell-Mann a Kazuhiko Nishijima , vedl k osmdesátá Way klasifikace, vynalezený Gell-Mann, s důležitými nezávislými iniciativami Juval Ne'eman , v roce 1961. byly organizovány Tyto hadrony do SU (3) reprezentace multipletů, oktetů a decupletů, zhruba stejné hmotnosti, kvůli silným interakcím; a menší hmotové rozdíly spojené s kvantovými čísly příchuti, neviditelné silnými interakcemi. Hmotnost Vzorec Gell-Mann-Okubo systemizovány kvantifikaci těchto malých masových rozdílů mezi členy hadronového multiplet, kontrolovaný explicitní porušení symetrie SU (3).

Spin- 3 / 2
Ω-
baryon
, člen decupletu základního stavu, byl zásadní předpovědí této klasifikace. Poté, co byl objeven v experimentu v Brookhavenské národní laboratoři , získal Gell-Mann v roce 1969 Nobelovu cenu za fyziku za práci na Osminásobné cestě.

A konečně v roce 1964 Gell-Mann a nezávisle na něm George Zweig rozeznali, co kóduje obraz Osminásobné cesty: Navrhli tři základní fermionické složky - kvarky „nahoru“, „dolů“ a „podivné“ - které nejsou pozorovány, a možná nepozorovatelný ve volné formě. Jednoduché párové nebo tripletové kombinace těchto tří složek a jejich antičástic tvoří základ a elegantně kódují klasifikaci Eightfold Way v ekonomické a těsné struktuře, což vede k další jednoduchosti. Hadronické hmotnostní rozdíly byly nyní spojeny s různými hmotnostmi základních kvarků.

Trvalo by asi deset let, než by byla plně oceněna neočekávaná povaha - a fyzická realita - těchto kvarků (viz Kvarky ). Proti intuici je nelze nikdy pozorovat izolovaně ( zadržování barev ), ale místo toho se vždy kombinují s jinými kvarky za vzniku plných hadronů, které pak poskytují dostatek nepřímých informací o samotných zachycených kvarkech. Naopak kvarky slouží při definici kvantové chromodynamiky , základní teorie plně popisuje silné interakce; a Osminásobná cesta je nyní chápána jako důsledek struktury symetrie příchuti nejsvětlejších tří z nich.

Mezony

Obrázek 2: Pseudoskalární mezony rotace 0 tvoří nonet
Obrázek 3: Mesony rotace 1 tvoří nonet

Klasifikace osmdesátá cesta je pojmenována po následující skutečnosti: Vezmeme-li tři příchutě kvarků, pak kvarky ležet v základním zobrazení , 3 (nazvaný triplet) ze příchutí SU (3) . Antikvarky leží v komplexním sdruženém zastoupení 3 . Devět států (noneto) vyrobené z páru může být rozložen do triviální reprezentace , 1 (nazvaný singlet), a adjoint reprezentace , 8 (tzv oktet). Zápis pro tento rozklad je

.

Obrázek 1 ukazuje aplikaci tohoto rozkladu na mezony. Pokud by byla symetrie příchutí přesná (jako v limitu, že fungují pouze silné interakce, ale elektroslabé interakce jsou teoreticky vypnuté), pak by všech devět mezonů mělo stejnou hmotnost. Fyzický obsah úplné teorie však zahrnuje zvážení rozbití symetrie vyvolaného rozdíly hmotnosti kvarku a úvahy o míchání mezi různými multiplety (jako je oktet a singlet).

Poznámka: Hmota rozdělená mezi
η
a
η ′
je větší, než kolik model kvarku pojme, a toto “
η
-
η ′
puzzle
"má svůj původ v topologických zvláštnostech silného interakčního vakua, jako jsou konfigurace instanton .

Mezony jsou hadrony s nulovým baryonovým číslem . Pokud jsou dvojice kvark – antikvark ve stavu orbitální momentu hybnosti L a mají spin S , pak

  • | L - S | ≤ JL + S , kde S = 0 nebo 1,
  • P = (−1) L + 1 , kde 1 v exponentu vyplývá z vnitřní parity páru kvark – antikvark.
  • C = (-1) L + S pro mezony, které nemají žádnou příchuť . Ochucené mesons mít neomezenou hodnotu C .
  • Pro isospin I = 1 a 0 stavy, lze definovat novou řadu multiplikativní kvantové nazývá G-parity tak, že G = (-1) I + L + S .

Pokud P = (-1) J , pak vyplývá, že S = 1, tedy PC = 1. Státy s těmito kvantovými čísly se nazývají stavy přirozené parity ; zatímco všechna ostatní kvantová čísla se tak nazývají exotická (například stav J PC = 0 −− ).

Baryoni

Obrázek 4 . S  =  1 / 2 základní stav baryon oktet
Obrázek 5 . S  =  3 / 2 baryon decuplet

Protože kvarky jsou fermiony , věta o spinových statistikách naznačuje, že vlnová funkce baryonu musí být při výměně jakýchkoli dvou kvarků antisymetrická. Tuto antisymetrickou vlnovou funkci lze získat plně antisymetrickou barvou, která je popsána níže, a symetrickou kombinací chutí, odstřeďování a prostoru. Se třemi příchutěmi je rozklad v chuti

.

Decuplet má symetrickou chuť, singletový antisymetrický a dva oktety mají smíšenou symetrii. Prostor a spinové části stavů jsou tím fixovány, jakmile je dána orbitální moment hybnosti.

Někdy je užitečné uvažovat o základních stavech kvarků jako o šesti stavech tří příchutí a dvou otočení na příchuť. Tato přibližná symetrie se nazývá spin-aroma SU (6) . Z tohoto hlediska je rozklad

Těch 56 států se symetrickou kombinací otáčení a příchuti se rozkládá pod příchutí SU (3) na

kde horní index označuje spin, S , baryonu. Protože tyto stavy jsou symetrické ve spinu a v chuti, měly by být také symetrické v prostoru - podmínka, kterou lze snadno uspokojit vytvořením orbitální momentu hybnosti L  = 0. Jedná se o baryony základního stavu.

K S  =  1 / 2 oktetů baryons jsou dva nukleony (
p+
,
n0
), tři Sigmy (
Σ+
,
Σ0
,
Σ-
), dva Xis (
Ξ0
,
Ξ-
) a lambda (
Λ0
). K S  =  3 / 2 decuplet baryons jsou čtyři Deltas (
Δ++
,
Δ+
,
Δ0
,
Δ-
), tři Sigmy (
Σ∗ +
,
Σ∗ 0
,
Σ∗ -
), dva Xis (
Ξ∗ 0
,
Ξ∗ -
) a Omega (
Ω-
).

Například vlnová funkce základního modelu kvarku pro proton je

Míchání baryonů, hromadné dělení uvnitř a mezi multiplety a magnetické momenty jsou některé z dalších veličin, které model úspěšně předpovídá.

Objev barvy

Barevná kvantová čísla jsou charakteristickými náboji silné síly a jsou zcela neúčastní elektroslabých interakcí. Byly objeveny v důsledku klasifikace tvaroh modelu, když to bylo zřejmé, že spin S  =  3 / 2 baryon se
Δ++
, vyžadovalo tři kvarky s paralelními rotacemi a mizející orbitální hybností. Proto nemohla mít antisymetrickou vlnovou funkci (požadovanou Pauliho vylučovacím principem ), pokud zde nebylo skryté kvantové číslo. Oscar Greenberg zaznamenal tento problém v roce 1964 a navrhl, že kvarky by měly být parafermiony .

Místo toho o šest měsíců později navrhli Moo-Young Han a Yoichiro Nambu existenci tří tripletů kvarků, aby tento problém vyřešili, ale chuť a barva se v tomto modelu propletly: Nedojížděli.

Moderní pojetí barev zcela dojíždějících se všemi ostatními náboji a poskytující silný silový náboj byl formulován v roce 1973 Williamem Bardeenem , Haraldem Fritzschem a Murrayem Gell-Mannem .

Státy mimo model kvarku

Zatímco model kvarku lze odvodit z teorie kvantové chromodynamiky , struktura hadronů je komplikovanější, než tento model umožňuje. Plná funkce kvantové mechanické vlny jakéhokoli hadronu musí zahrnovat virtuální kvarkové páry i virtuální gluony a umožňuje různé směšování. Mohou existovat hadrony, které leží mimo model kvarku. Mezi ně patří lepicí koule (které obsahují pouze valenční gluony), hybridy (které obsahují valenční i kvarky stejně jako gluony) a „ exotické hadrony “ (například tetrakvarky nebo pentakvarky ).

Viz také

Poznámky

Reference