Baryon

Isospin ja chargeEdit

kolmen u -, d-tai s-kvarkin yhdistelmät, jotka muodostavat spin-3/2-baryoneja, muodostavat uds-baryonidekupletin

kolmen u -, d-tai s-kvarkin yhdistelmät, jotka muodostavat spin-1/2-baryoneja, muodostavat uds-baryonioktetin

isospiinin käsitteen esitti ensimmäisen kerran Werner Heisenberg vuonna 1932 selittääkseen protonien ja neutronien yhtäläisyydet voimakkaan vuorovaikutuksen alla. Vaikka niillä oli erilaiset sähkövaraukset, niiden massat olivat niin samanlaisia, että fyysikot uskoivat niiden olevan sama hiukkanen. Erilaisten sähkövarausten selitettiin johtuvan jostain tuntemattomasta spinniä muistuttavasta herätyksestä. Eugene Wigner nimesi tämän tuntemattoman herätyksen myöhemmin isospiniksi vuonna 1937.

tämä uskomus kesti, kunnes Murray Gell-Mann ehdotti vuonna 1964 kvarkkimallia (joka sisälsi alun perin vain u -, d-ja s-kvarkit). Isospin-mallin menestyksen ymmärretään nykyään johtuvan u-ja d-kvarkkien samanlaisista massoista. Koska u-ja d-kvarkeilla on samanlaiset massat, myös saman verran valmistetuilla hiukkasilla on silloin samanlaiset massat. U-ja d-kvarkkien tarkka ominaiskoostumus määrää varauksen, sillä u-kvarkit kantavat varausta +2/3 kun taas d-kvarkit kantavat varausta -1/3. Esimerkiksi neljällä Deltalla on kaikilla eri varaukset (
Δ++
(uuu),
Δ+
(uud),
Δ0
(udd),
Δ−
(ddd)), mutta niiden massat ovat samanlaiset (~1,232 MeV/C2), koska ne ovat kukin kolmen u-tai d-kvarkin yhdistelmästä. Isospin-mallissa niitä pidettiin yhtenä hiukkasena eri varautuneissa tiloissa.

isospinin matematiikka oli mallinnettu Spinin mukaan. Isospinin projektiot vaihtelivat 1: n välein aivan kuten Spinin projektiot, ja jokaiseen projektioon liittyi ”varautunut tila”. Koska ” Deltahiukkasella ”oli neljä” varautunutta tilaa”, sen sanottiin olevan isospin I = 3/2. Sen ”varautuneet tilat”
Δ++
,
Δ+
,
Δ0
ja
Δ−
vastasivat isospinin ennusteita I3 = +3/2, I3 = +1/2, I3 = -1/2 ja I3 = -3/2. Toinen esimerkki on”nukleonihiukkanen”. Koska oli kaksi nukleonin ”varautunutta tilaa”, sen sanottiin olevan isospin 1/2. Positiivinen nukleoni
n +
(protoni) tunnistettiin i3 = +1/2: lla ja neutraali nukleoni
N0
(neutroni) i3 = -1/2: lla. Myöhemmin huomattiin, että isospinin projektiot liittyivät hiukkasten ylös-ja alas-kvarkkipitoisuuteen relaatiolla:

I 3 = 1 2, {\displaystyle I_{\mathrm {3} }={\frac {1}{2}},}

missä n: t ovat ylös-ja alas-kvarkkien ja antikvarkkien lukumäärä.

”isospinin kuvassa” neljän Deltan ja kahden nukleonin ajateltiin olevan kahden hiukkasen eri olomuotoja. Kvarkkimallissa deltat ovat kuitenkin nukleonien eri tiloja (n++ tai N− ovat Paulin poissulkuperiaatteen mukaan kiellettyjä). Vaikka isospin välittää epätarkan kuvan asioista, sitä käytetään edelleen baryonien luokitteluun, mikä johtaa luonnottomaan ja usein sekavaan nimikkeistöön.

flavor quantum numbersEdit

outous flavour quantum number S (jota ei pidä sekoittaa spiniin) havaittiin nousevan ja laskevan hiukkasmassan mukana. Mitä suurempi massa, sitä pienempi outous (sitä enemmän S-kvarkkeja). Hiukkasia voitaisiin kuvata isospin-projektioilla (jotka liittyvät varaukseen) ja outoudella (massa) (katso uds-oktetti-ja dekuplet-luvut oikealla). Kun muitakin kvarkkeja löydettiin, saatiin uusia kvanttilukuja, joilla oli samanlainen kuvaus udc-ja udb-okteteista ja dekupleteista. Koska vain u-ja d-massat ovat samanlaisia, tämä hiukkasen massan ja varauksen kuvaus isospiini-ja flavor-kvanttilukujen suhteen toimii hyvin vain oktetille ja dekupletille, jotka koostuvat yhdestä u -, yksi d-ja yhdestä muusta kvarkista, ja hajoaa muille okteteille ja dekupleteille (esimerkiksi ucb-oktetille ja dekupletille). Jos kvarkeilla olisi kaikilla sama massa, niiden käyttäytymistä kutsuttaisiin symmetriseksi, koska ne kaikki käyttäytyisivät samalla tavalla voimakkaaseen vuorovaikutukseen nähden. Koska kvarkeilla ei ole samaa massaa, ne eivät vuorovaikuta samalla tavalla (aivan kuten sähkökenttään sijoitettu elektroni kiihdyttää enemmän kuin samaan kenttään sijoitettu protoni kevyemmän massansa vuoksi), ja symmetrian sanotaan olevan rikki.

huomattiin, että varaus (Q) liittyi Gell-Mann–Nishijiman kaavalla isospinin projektioon (I3), baryonilukuun (B) ja flavorin kvanttilukuihin (S, C, B’, T) :

Q = i 3 + 1 2(B + S + C + B ’+ T ) , {\displaystyle Q=I_{3}+{\frac {1}{2}}\left (B+S+C+B^{\prime }+t\right),}

jossa S, C, B’ ja T edustavat outoutta, charmia, pohjaisuutta ja topness maku kvanttiluku, vastaavasti. Ne liittyvät outojen, charmin, pohja-ja yläkvarkkien ja antikvarkkien lukumäärään suhteiden mukaan:

S = − ( n S − N S ) , C = + ( n c − n c ) , B ’ = − ( n B − n b ) , T = + ( n t − n t ) , {\displaystyle {\begin{aligned}s&=-\left(n_{\mathrm {s} }-n_{\mathrm {\bar {s}} }\right),\\C&=+\left(n_{\mathrm {C} }-n_{\mathrm {\bar {c}} }\right),\\b^{\Prime }&=-\Left(n_{\mathrm {b} }-n_{\mathrm {\bar {b}} }\right),\\t&=+\left(n_{\mathrm {\bar {t}}}- n_ {\mathrm {\bar{t}}}\right), \ end {align}}}

eli Gell-Mann-Nishijiman kaava vastaa varauksen ilmaisua kvarkkipitoisuuden mukaan:

Q = 2 3 − 1 3 . {\displaystyle Q={\frac {2}{3}}\left – {\frac {1}{3}}\left.}

Spin, kiertoradan kulmamomentti ja kokonaiskulmamomentti

Spin (kvanttiluku S) On vektorisuure, joka edustaa hiukkasen ”luontaista” kulmamomenttia. Se tulee 1/2 ħ: n lisäyksinä (lausutaan ”h-bar”). Ħ pudotetaan usein siksi, että se on Spinin ”perusyksikkö”, ja annetaan ymmärtää, että ”spin 1” tarkoittaa ”spin 1 ħ”. Joissakin luonnollisten yksiköiden järjestelmissä ħ valitaan 1: ksi, eikä sitä siksi esiinny missään.

kvarkit ovat Spinin 1/2 fermionisia hiukkasia (S = 1/2). Koska spiniprojektiot vaihtelevat 1: n (eli 1 ħ: n) välein, yhdellä kvarkilla on spinavektori, jonka pituus on 1/2, ja sillä on kaksi spiniprojektiota (Sz = +1/2 ja sz = -1/2). Kahden kvarkin kierrokset voivat olla linjassa, jolloin kahden spin-vektorin yhteenlasku tekee vektorin, jonka pituus on s = 1 ja kolme spin-projektiota (Sz = +1, sz = 0 ja sz = -1). Jos kahdessa kvarkissa on suuntaamattomat kierrokset, spin-vektorit yhteenlaskettuina muodostavat vektorin, jonka pituus on S = 0 ja jolla on vain yksi spin-projektio (sz = 0) jne. Koska baryonit koostuvat kolmesta kvarkista, niiden spin-vektorit voivat lisätä, jolloin saadaan vektori, jonka pituus on s = 3/2, jolla on neljä spiniprojektiota (Sz = +3/2, Sz = +1/2, SZ = -1/2 ja sz = -3/2), tai vektori, jonka pituus on s = 1/2 ja kaksi spiniprojektiota (sz = +1/2 ja sz = -1/2).

on olemassa toinen kulmamomentin Suure, jota kutsutaan orbitaaliseksi kulmamomentiksi (atsimutaalikvanttiluku L), joka tulee 1 ħ: n lisäyksinä, jotka edustavat kvarkkien toisiaan kiertävien kulmamomenttien aiheuttamaa kulmamomenttia. Hiukkasen kokonaiskulmamomentti (kokonaiskulmamomentin kvanttiluku J) on siis luontaisen kulmamomentin (spin) ja kiertokulmamomentin yhdistelmä. Se voi ottaa minkä tahansa arvon J = / L-S | – J = | L + S/, askelin 1.

Hiukkasfyysikkoja kiinnostavat eniten baryonit joissa ei ole kiertoradan kulmamomenttia (L = 0), koska ne vastaavat maan tiloja—minimienergiaisia tiloja. Siksi kaksi tutkituinta baryoniryhmää ovat S = 1/2; L = 0 ja S = 3/2; L = 0, mikä vastaa vastaavasti J = 1/2+ ja J = 3/2+, vaikka ne eivät ole ainoita. On myös mahdollista saada J = 3/2+ hiukkasia s = 1/2 ja L = 2, sekä S = 3/2 ja L = 2. Tätä ilmiötä, jossa on useita hiukkasia samassa kokonaismomenttimomentin konfiguraatiossa, kutsutaan degeneraatioksi. Näiden degeneroituneiden baryonien erottaminen toisistaan on baryonispektroskopian aktiivinen tutkimusalue.

pariteetti

jos kaikkeus heijastuisi peilistä, suurin osa fysiikan laeista olisi identtisiä—asiat käyttäytyisivät samalla tavalla riippumatta siitä, mitä kutsumme ”vasemmaksi” ja mitä kutsumme ”oikeaksi”. Tätä peiliheijastuksen käsitettä kutsutaan ” luontaiseksi pariteetiksi ”tai yksinkertaisesti” pariteetiksi ” (P). Gravitaatio, sähkömagneettinen voima ja voimakas vuorovaikutus käyttäytyvät kaikki samalla tavalla riippumatta siitä, heijastuuko maailmankaikkeus peilistä vai ei, ja näin niiden sanotaan säilyttävän pariteetin (P-symmetrian). Heikko vuorovaikutus kuitenkin erottaa ”vasemman” ”oikeasta”, ilmiötä kutsutaan pariteettirikkomukseksi (P-rikkominen).

tämän perusteella, jos jokaisen hiukkasen aaltofunktio (tarkemmin sanottuna kunkin hiukkastyypin kvanttikenttä) olisi samanaikaisesti peilinapplikoitu, Uusi aaltofunktioiden joukko täyttäisi täydellisesti fysiikan lait (heikkoa vuorovaikutusta lukuun ottamatta). Osoittautuu, että tämä ei ole aivan totta: jotta yhtälöt täyttyisivät, tietyntyyppisten hiukkasten aaltoluvut on kerrottava -1: llä sen lisäksi, että ne ovat peilikäänteisiä. Tällaisilla hiukkastyypeillä sanotaan olevan negatiivinen tai pariton pariteetti (P = -1 tai vaihtoehtoisesti P=–), kun taas muilla hiukkasilla sanotaan olevan positiivinen tai parillinen pariteetti (P = +1, tai vaihtoehtoisesti P = +).

baryoneilla pariteetti liittyy orbitaalin kulmamomenttiin relaatiolla:

P = ( − 1 ) L . {\displaystyle P=(-1)^{L}.\ }