Baryon

Isospin og chargeEdit

Kombinasjoner av tre u, d eller s kvarker som danner baryoner med en spin-3/2 danner uds baryon decuplet

Kombinasjoner av tre u, d eller s kvarker som danner baryoner med en spin-1/2 danner uds baryon oktett

begrepet isospin ble først foreslått Av Werner Heisenberg i 1932 for å forklare likhetene mellom protoner og nøytroner under sterk interaksjon. Selv om de hadde forskjellige elektriske ladninger, var deres masser så like at fysikere trodde de var samme partikkel. De forskjellige elektriske ladningene ble forklart som et resultat av noe ukjent eksitasjon som ligner på spinn. Denne ukjente eksitasjonen ble senere kalt isospin Av Eugene Wigner i 1937.

denne troen varte til Murray Gell-Mann foreslo kvarkmodellen i 1964 (som opprinnelig bare inneholdt u -, d-og s-kvarkene). Suksessen til isospin-modellen forstås nå å være resultatet av de samme massene av u-og d-kvarker. Siden u-og d-kvarker har lignende masser, har partikler laget av samme antall også lignende masser. Den nøyaktige spesifikke u-og d-kvarksammensetningen bestemmer ladningen, da u-kvarker bærer ladning + 2/3 mens d-kvarker bærer ladning -1 / 3. For eksempel har de fire Deltaene forskjellige kostnader (
Δ++
(uuu),
Δ+
(uud),
Δ
(udd),
Δ−
(ddd)), men har lignende masser (~1,232 MeV/c2) da de hver er laget av en kombinasjon av tre u-eller d-kvarker. Under isospin-modellen ble de ansett å være en enkelt partikkel i forskjellige ladede tilstander.

matematikken til isospin ble modellert etter spinn. Isospinprojeksjoner varierte i trinn på 1 akkurat som de av spinn, og til hver projeksjon var tilknyttet en «ladet tilstand». Siden «Delta partikkelen» hadde fire «ladede tilstander», ble det sagt å være av isospin i = 3/2. Dens «ladede stater»
Δ++
,
Δ+
,
Δ
Og
Δ-
, korresponderte med isospinprojeksjonene I3 = +3/2, I3 = +1/2, i3 = -1/2 og i3 = -3/2, henholdsvis. Et annet eksempel er «nukleonpartikkelen». Da det var to nukleon «ladede tilstander», ble det sagt å være av isospin 1/2. Det positive nukleon
N +
(proton) ble identifisert med I3 = +1/2 og det nøytrale nukleon
N0
(nøytron) med I3 = -1/2. Det ble senere bemerket at isospinprojeksjonene var relatert til opp og ned kvarkinnholdet av partikler ved forholdet:

i 3 = 1 2, {\displaystyle i_ {\mathrm {3} }={\frac {1}{2}},}

hvor n er antall opp og ned kvarker og antikvarker.

i» isospin-bildet » ble de fire Deltaene og de to nukleonene antatt å være de forskjellige tilstandene av to partikler. I kvarkmodellen Er Deltaer imidlertid forskjellige tilstander av nukleoner (N++ eller N− er forbudt Av paulis eksklusjonsprinsipp). Isospin, selv om det formidler et unøyaktig bilde av ting, brukes fortsatt til å klassifisere baryoner, noe som fører til unaturlig og ofte forvirrende nomenklatur.

kvantumnummerrediger

strangeness smaken quantum nummer S (ikke forveksles med spinn) ble lagt merke til å gå opp og ned sammen med partikkelmasse. Jo høyere masse, jo lavere strangeness (jo flere s kvarker). Partikler kan beskrives med isospinprojeksjoner (relatert til ladning) og strangeness (masse) (se uds-oktetten og decuplet-tallene til høyre). Som andre kvarker ble oppdaget, nye kvante tall ble gjort for å ha lignende beskrivelse av udc og udb oktetter og decuplets. Siden bare u-og d-massen er like, fungerer denne beskrivelsen av partikkelmasse og ladning i form av isospin og smakskvantumnumre godt bare for oktett og decuplet laget av en u, en d og en annen kvark, og bryter ned for de andre oktetter og decuplet (for eksempel ucb-oktett og decuplet). Hvis kvarkene alle hadde samme masse, ville deres oppførsel bli kalt symmetrisk, da de alle ville oppføre seg på samme måte som den sterke samspillet. Siden kvarker ikke har samme masse, samhandler de ikke på samme måte (akkurat som et elektron plassert i et elektrisk felt vil akselerere mer enn et proton plassert i samme felt på grunn av sin lettere masse), og symmetrien sies å være ødelagt.

det ble notert at ladning (Q) var relatert til isospinprojeksjonen (I3), baryonnummeret (B) og smakskvantumnumrene (S, C, B’, T) med gell–Mann-Nishijima-formelen:

Q = i 3 + 1 2 (B + S + C + B ‘+ T), {\displaystyle Q=i_{3} + {\frac {1}{2}} \ venstre(B + S + C + b^{\prime } + t \ høyre),}

Hvor S, C, B’, og T representerer strangeness, sjarm, bottomness og topness smak quantum tall, henholdsvis. De er relatert til antall merkelige, sjarm, bunn og topp kvarker og antikvark i henhold til relasjonene:

S = − ( n s − n s ) , C = + ( n c − n c ) , B ‘ = − ( n b − n b ) , t = + ( n t − n t ) , {\displaystyle {\begin{aligned}s&=-\venstre(n_{\mathrm {s} }-n_{\mathrm {\bar {s}} }\høyre),\\c&=+\venstre(n_{\mathrm {\bar {s}} \høyre), \\C&=+\venstre(n_ {\mathrm {c}}- n_ {\mathrm{\bar {c}}}\høyre), \\b^{\prime}&=-\venstre(n_ {\mathrm {b}}- n_{\mathrm {\bar {b}} \høyre), \\t & = + \ venstre (n_ {\mathrm {\bar{t}}} \ høyre), \ end {justert}}}

det betyr At gell–Mann-Nishijima-formelen er ekvivalent med uttrykket av ladning når det gjelder kvarkinnhold:

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

Spinn, orbital vinkelmoment og totalt vinkelmomentrediger

Spinn (kvantetall S) er en vektormengde som representerer det» indre » vinkelmomentet til en partikkel. Den kommer i trinn på 1/2 ħ(uttalt «h-bar»). Ħ blir ofte droppet fordi det er den «grunnleggende» spinnenheten, og det er underforstått at «spinn 1» betyr «spinn 1 ħ». I noen systemer av naturlige enheter er ħ valgt til å være 1, og vises derfor ikke hvor som helst.

Kvarker er fermioniske partikler med spinn 1/2 (S = 1/2). Fordi spinnprojeksjoner varierer i trinn på 1 (det vil si 1 ħ), har en enkelt kvark en spinnvektor med lengde 1/2, og har to spinnprojeksjoner (Sz = +1/2 og Sz = -1/2). To kvarker kan ha sine spinn justert, i så fall legger de to spinnvektorene til for å lage en vektor med lengde S = 1 og tre spinnprojeksjoner (Sz = +1, Sz = 0 og Sz = -1). Hvis to kvarker har ujusterte spinn, legger spinnvektorene opp for å lage en vektor Med lengde S = 0 og har bare en spinnprojeksjon (Sz = 0), etc. Siden baryoner er laget av tre kvarker, kan deres spinnvektorer legge til for å lage en vektor med lengde S = 3/2, som har fire spinnprojeksjoner (Sz = +3/2, Sz = +1/2, Sz = -1/2 og Sz = -3/2), eller en vektor med lengde S = 1/2 med to spinnprojeksjoner (Sz = +1/2 og Sz = -1/2).

det er en annen mengde vinkelmoment, kalt orbital vinkelmoment (azimutkvantum l), som kommer i trinn på 1 ħ, som representerer vinkelmomentet på grunn av kvarker som kretser rundt hverandre. Det totale vinkelmomentet (totalt vinkelmomentkvantumnummer J) av en partikkel er derfor kombinasjonen av indre vinkelmoment (spinn) og orbital vinkelmoment. Det kan ta noen verdi Fra J = / L-S / Til J = / L + S/, i trinn på 1.

Partikkelfysikere er mest interessert i baryoner uten orbital vinkelmoment (L = 0), da de tilsvarer grunntilstander-tilstander med minimal energi. Derfor er de to gruppene av baryoner mest studerte S = 1/2; L = 0 Og S = 3/2; L = 0, som tilsvarer Henholdsvis J = 1/2+ og j = 3/2+, selv om de ikke er de eneste. Det er også mulig å oppnå j = 3/2+ partikler Fra S = 1/2 Og L = 2, Så Vel Som S = 3/2 og L = 2. Dette fenomenet med å ha flere partikler i samme totale vinkelmomentkonfigurasjon kalles degenerasjon. Hvordan skille mellom disse degenererte baryoner er et aktivt forskningsområde i baryon spektroskopi.

Paritetrediger

hvis universet ble reflektert i et speil, ville de fleste fysikkens lover være identiske-ting ville oppføre seg på samme måte uansett hva vi kaller » venstre «og hva vi kaller»høyre». Dette begrepet speilrefleksjon kalles «inneboende paritet» eller bare «paritet» (P). Tyngdekraften, den elektromagnetiske kraften og den sterke interaksjonen oppfører seg på samme måte uansett om universet reflekteres i et speil eller ikke, og dermed sies å bevare paritet (p-symmetri). Den svake samspillet skiller imidlertid «venstre» fra «høyre», et fenomen som kalles paritetsbrudd (P-brudd).

Basert på dette, hvis bølgefunksjonen for hver partikkel (i mer presise termer, kvantefeltet for hver partikkeltype) samtidig ble speilvendt, ville det nye settet av bølgefunksjoner perfekt tilfredsstille fysikkens lover (bortsett fra den svake samspillet). Det viser seg at dette ikke er helt sant: for at ligningene skal tilfredsstilles, må bølgefunksjonene til visse typer partikler multipliseres med -1, i tillegg til å være speilvendt. Slike partikkeltyper sies å ha negativ eller merkelig paritet (P = -1, eller alternativt P = -), mens de andre partiklene sies å ha positiv eller jevn paritet (P = +1, eller alternativt P = +).

for baryoner er pariteten relatert til det orbitale vinkelmomentet av forholdet:

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