Baryon

Baryony jsou subatomární částice s relativně velkou hmotou . Patří mezi ně proton a neutron (souhrnně termín: nukleony ), jakož i řada dalších, dokonce těžších částic, například hyperony . Jméno baryon pochází ze starořeckého βαρύς barýs „heavy“, „ weightty “ (na rozdíl od „lehkých“ leptonů a „středně těžkých “ mezonů ). Pouze nejlehčí baryon, proton, je stabilní proti rozpadu. Jeho hmotnost je asi 2 000krát větší než hmotnost elektronů .

Baryony se skládají ze tří valenčních kvarků (nebo jako antibaryony ze tří antikvarků ). Proto podléhají silné interakci , tj. tj., Patří k hadronům . Baryony také podléhají slabé interakci , gravitaci a pokud jsou nabité, elektromagnetické síle .

Baryony jsou fermiony , tj. To znamená, že mají half-integer točit a podléhají Pauliho vylučovací princip (Pauli princip). Jsou popsány statistikami Fermi-Dirac .

Baryonské multiplety

Všeobecné

V roce 1964 následovali Murray Gell-Mann a Yuval Ne'eman , známí baryoni díky teorii skupin (úvahy v určitých schématech Osminásobná cesta anglicky :, Osminásobný způsob ) na zakázku. V těchto je osa x dána třetí složkou isospinu a osa y je dána podivností ; k tomu lze umístit diagonálně elektrický náboj a hyperboj . Experimentálně potvrzený Gell-Mann-Nishijimův vzorec lze číst z polohy os .

Z modelu byl postulován další, pak neznámý baryon s obsahem kvarku sss . Pozdější objev omega baryonu při předpokládané hmotnosti a vlastnostech byl jedním z prvních úspěchů modelu kvarku.

Baryony jsou tvořeny třemi základními částicemi , které Gell-Mann nazval kvarky. Všechny kvarky jsou fermiony se spinem  ¹ / ₂ . Původní hypotéza kvarku byla založena na třech různých kvarkech, kvarku nahoru, dolů a podivném (kvarky u, d a s). Kvark nahoru a dolů se spojí a vytvoří isospinový dublet kvůli jejich podobným hmotám. Podivný kvark se od nich liší především svou větší hmotností a vlastností zvanou podivnost. Náboj u tvarohu je ² / ₃ krát elementární náboj, náboj d a to tvaroh je (- ¹ / ₃ ) krát elementární náboj.

Myšlenka nyní je, že jakákoli možnost spojení tří kvarků odpovídá baryonu, přičemž vlastnosti kvarků určují vlastnosti baryonu. Za prvé, otočení tří kvarků může být připojen na celkovou rotaci  z  ¹ / ₂ nebo  ³ / ₂ . V prvním případě existuje osm možností ( baryonový oktet ) omezených Pauliho principem , ve druhém případě deset ( baryonový decuplet ). Protože se předpokládá, že kvarky v základním stavu nemají relativní celkovou orbitální moment hybnosti , parita všech baryonů je kladná. ${\ displaystyle J \! \,}$ ${\ displaystyle P \! \,}$

Baryon oktet ( J ^P = ¹ / ₂ ⁺ )

Můžeme kombinovat kvarky u a d, abychom vytvořili kombinace uud a udd (kombinace uuu a ddd jsou Pauliho principem zakázány). Ve skutečnosti existují dva non-podivné spin ¹ / ₂ baryons v přírodě, proton a neutron. Kombinace uud má celkový náboj 1, takže ji přiřadíme protonu a podle toho je neutron částice udd . K isospins tří kvarků každý pár na ± ¹ / ₂ , tedy proton a neutron, tvoří isospin dublet (jasně: protože oba kombinace obsahují ud se isospin dědí přímo z přebytku třetího tvarohu).

Pro lanové baryony jsou k dispozici kombinace uus , uds a dds . Izospiny dvou nevízděných kvarků se spojí a vytvoří triplet, sigma baryon a singlet, lambda baryon .

Baryon decuplet ( J ^P = ³ / ₂ ⁺ )

Odpojení lze také vysvětlit podobným způsobem, i když zde jsou také povoleny symetrické kombinace kvarků, např. B. Δ ⁺⁺ s uuu .

Pauliho princip však vyžaduje zavedení dalšího stupně volnosti , tzv. Barvy . Předpokládá, že vlnové funkce fermionů musí být antisymetrické . V případě baryonu to znamená, že vlnová funkce obdrží znaménko minus, jakmile dojde k záměně kvantových čísel dvou ze tří zúčastněných částic.

Vlnová funkce baryonu má části v prostorovém prostoru, v prostoru rotace a v prostoru isospin:

• funkce prostorových vln je pro Δ ⁺⁺ symetrická , protože tři kvarky jsou nerozeznatelné;
• otočení  ¹ / ₂ tří kvarků zúčastněných pár na celkovou rotaci  ³ / ₂ , je funkce rotace vlna je tedy také symetrické;
• to platí také pro funkci isospinových vln.

Dříve složená vlnová funkce Δ ⁺⁺ by proto byla symetrická.

Pro splnění Pauliho principu je třeba pro kvarky postulovat další kvantové číslo, barvu: může předpokládat stavy „červená“, „zelená“ a „modrá“. Rovněž se předpokládá, že se kvarky v barevném prostoru vždy spojí a vytvoří antisymetrickou vlnovou funkci, tj. H. živě, že výsledná částice je vždy „bílá“, např. B. v baryonu sloučením „červeného“, „zeleného“ a „modrého“ kvarku.

Hromadné rozdělení

Vzhledem k tomu, že různé řady multipletů se liší v počtu podivných kvarků (podivnost se zvyšuje směrem ke dnu), poskytuje hmotový rozdíl mezi podivnými a cizími kvarky měřítko hromadného rozdělení jednotlivých isospinových násobků.

Kromě toho existuje zásadní rozdělení mezi hmotami v oktetech a decuppletech, které lze vysledovat zpět k (barevně magnetické) interakci spin-spin. Takže má z. B. Kombinace tvaroh (Uus) má různé hmotnosti v závislosti na rotaci (Σ ⁺ se spinem ¹ / ₂ má m = 1189,37 MeV / c ² a Σ ^{* +} se spinem ³ / ₂ má m = 1382,8 MeV / c ² ); tento rozdíl není zobrazen na ilustraci decupletu vpravo.

Malé štěpení hmoty v násobcích isospinu (např. Štěpení protonů a neutronů kolem 1,3 MeV / c ² ) lze částečně vysvětlit různými náboji příslušných kvarků.

Další baryony

Kromě dříve zmíněných lehkých kvarků existují další tři těžší kvarky: kouzlo , spodní a horní . Kouzlo a dolní kvarky mohou být také složkami baryonů, např. B. the Λ _{c má} složení udc . Na druhé straně horní kvark nemůže vytvářet vázané stavy, protože se rozpadá příliš rychle.

Kromě popsaných základních stavů baryonů existuje také velké množství excitačních stavů , takzvaných baryonových rezonancí .

nomenklatura

Baryon	N	Δ	Λ	Σ	Ξ	Ω
Počet kvarků d , u	3		2		1	0
Počet kvarků s , c , b	0		1		2	3
Isospin ${\ displaystyle I}$	1 / 2	3 / 2	0	1	1 / 2	0
Stavy poplatků ${\ displaystyle (= 2I + 1)}$	2	4. místo	1	3	2	1

• Baryony jsou označeny písmeny N  (nukleon), Δ (delta), Λ (lambda), Σ (sigma), Ξ (Xi) a Ω (omega), v závislosti na počtu světelných kvarků ( d , u ) a isospin .
  • Baryon skládá ze tří U a / nebo D kvarky se nazývá nukleonové ( N ), pokud má isospin z ¹ / ₂ , a Δ, zda má isospin o ³ / ₂ . Výrazy proton ( p ) a neutron ( n ) platí pro dva nábojové stavy nukleonu v základním stavu .
  • baryon se dvěma kvarky u a / nebo d je Λ (isospin 0) nebo Σ (isospin 1). Pokud je třetí kvark c nebo b , je uveden jako index.
  • baryon s kvarkem u nebo d je Ξ. Kvarky těžší než s jsou opět uvedeny jako index. (Příklad: baryon se složením usc je Ξ _c ; baryon se složením ucc je Ξ _cc .)
  • baryon bez kvarku u a d je Ω. Kvarky těžší než s jsou opět uvedeny jako index.
• Pro další rozlišení je hmotnost baryonu (v MeV / c ² ) uvedena v závorkách. Tuto informaci lze pro nejnižší stav vynechat.
• Pro baryony s isospinem> 0 ( tj. N , Δ, Σ, Ξ) existuje několik stavů náboje, v závislosti na tom, kolik u nebo d kvarků je zapojeno. Proto je zde uveden také elektrický náboj. (Příklad: baryon se složením uss je Ξ ^0. )
• Λ, Σ a Ξ se spinem ³ / _2, jsou někdy také označeny hvězdičkou.

Baryonovo číslo

Experimentálně se pozoruje, že počet baryonů minus počet antibaryonů je zachován. Když se baryon rozpadne, vždy vznikne další baryon; proton, jako nejlehčí baryon, se nerozpadá. Naopak, baryony lze generovat pouze převedením existujícího baryonu nebo v nových párech jako baryon a antibaryon.

Proto baryons jsou přiřazeny baryonové číslo B = + 1 a antibaryonů b = -1, odpovídající kvarků B = + ¹ / ₃ a antiquarks B = - ¹ / ₃ . Baryonové číslo je aditivní kvantové číslo, tj. To znamená, že pro systémy několika částic se kvantová čísla jednotlivých složek sčítají s kvantovým počtem celého systému. Pokud dnes víme, jedná se o absolutní ochranný faktor . Na rozdíl od jiných získaných kvantových čísel není u baryonového čísla známa žádná přidružená symetrie .

V teoriích mimo standardní model částicové fyziky se číslo baryonu obecně nezachovává. Procesy, které porušují zachování baryonového čísla, musí být v takových teoriích extrémně vzácné, aby nebyly v rozporu s experimentálními výsledky, zejména s průměrnou životností protonu více než 2,1 · 10 ²⁹  let.

stav výzkumu

Výše uvedený model složení baryonu je podle současného stavu výzkumu neúplný. V současné době se předpokládá, že hmotnost, spin a další vlastnosti baryonů mohou není možné číst přímo z vlastností kvarků zúčastněných; takže dělá z. Například rotace tří kvarků v protonu trvá jen asi čtvrtinu jejího celkového rotace („spin puzzle“, „spin krize“).

Kvantová chromodynamika (QCD), teorie kvantového pole pro silnou interakci, tj. Interakci mezi kvarky , existuje od 70. let . Tuto teorii je však obtížné zvládnout a zejména v nízkoenergetických rozmezích s ní nelze zacházet z hlediska teorie poruch . Místo toho se zde používají diskrétní mřížky, které jsou co nejjemněji propojené ( teorie mřížky ). Jedním z příkladů je výpočet baryonových hmot ve vztahu k sobě navzájem.

Největší nezodpovězenou otázkou stále zůstává, jak je zřejmé z principů QCD, dříve pouze postulierbare barevné omezení (ger.: Omezení ) odvozené listy. Toto je skutečnost popsaná výše, že částice pozorovatelné v přírodě jsou vždy „bílé“, což zejména vede k nepozorovatelnosti volných kvarků.

Pro teoretické zpracování je tedy závislé na účinných teoriích nebo Quarkových modelech . Často pozorovanou zvláštností takových modelů kvarků je předpověď mnohem více baryonových stavů, než byly dříve pozorovány. Hledání těchto chybějících rezonancí (ger.: Chybějící rezonance ) je jednou z hlavních oblastí experimentálního výzkumu baryonů. Kromě toho se provádí výzkum elektrolytických vlastností (např. Tvarových faktorů ) a rozpadu baryonů.

Baryonická hmota v kosmologii

V kosmologii a astrofyzice je baryonická hmota název hmoty tvořené atomy, aby se odlišila od temné hmoty , temné energie a elektromagnetického záření. Ve viditelném vesmíru existuje více baryonů než antibaryonů, tato asymetrie se nazývá baryonová asymetrie .

Viz také

• Seznam baryonů

literatura

• Bogdan Povh ao: Částice a jádra. 6. vydání. Springer, Berlin 2004, ISBN 3-540-21065-2 .

webové odkazy

• Skupina dat částic , naměřené hodnoty elementárních částic

Individuální důkazy

1. ^ Wilhelm Gemoll : Řecko-německá škola a ruční slovník. Mnichov / Vídeň 1965.
2. ↑ Ilka Flegel: HERMES a spin puzzle . 2004. 
3. ↑ Steven D. Bass, Gerhard Samulat: Hledání chybějícího otočení . In: Spectrum of Science . páska 12 , 2008, s. 38-45 . 
4. ^ S. Dürr a kol.: Ab Initio Stanovení světelných hadronových hmot . In: Věda . 2008 ( abstrakt ). 
5. ↑ Rainer Scharf: Hra barev v protonové hmotě . V: FAZ . 26. listopadu 2008 ( online ).