Элементарные частицы: барионы

1

Министерство образования саратовской оласти

СГУ им Н.Г Чернышевского

Доклад

на тему:

Барионы

Выполнил студент

4-го курса 431 гр

Азимов А.В.

Саратов 2010

Содержание

Введение

1. Классификация барионов

2. Свойства барионов

3. Протон и нейтрон

Список литературы

Введение

Барионы (от греч. barys -- тяжёлый), группа тяжёлых элементарных частиц с полуцелым спином, состоящие из трёх кварков (предполагается, но не доказано существование барионов из 5 и большего числа кварков) и массой не меньше массы протона. Барионы вместе с мезонами (последние состоят из двух кварков) составляют группу элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и называемых адронами.

Адроны также характеризуются квантовыми числами s (странность), c (очарование), b (красота), t (истина), изоспином I и его третьей проекцией I₃.

К основным барионам относятся (по мере возрастания массы): протон, нейтрон, ламбда-гиперон, сигма-гиперон, кси-гиперон, омега-гиперон. Масса омега-гиперона (3278 масс электрона), почти в 1,8 раз больше массы протона.

1. Классификация барионов

Наиболее стабильными барионами являются протон и нейтрон (вместе они составляют группу нуклонов). Первый из них, насколько это сегодня известно, абсолютно стабилен, второй испытывает бета-распад с временем жизни, близким к 1000 с. Более тяжёлые барионы распадаются за время от 10^?23 до 10^?10 с.

Нуклоны имеют кварковый состав uud (протон) и udd (нейтрон). Их спин равен 1/2, странность нулевая. Масса близка к 940 МэВ. Вместе со своими короткоживущими возбуждёнными состояниями нуклоны относятся к группе N-барионов.

Барионы, содержащие как минимум один странный кварк (но не содержащие более тяжелых кварков), называются гиперонами.

В семействе барионов, кроме нуклонов, выделяют группы Д-, Л-, У-, О- и Щ-барионов.

Конец 40-х -- начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название «странных».Первые частицы этой группы К+- и К--мезоны, Л-, У -, X- -гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях -- установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые Э. ч., которые и становятся предметом изучения.

Л-Гипероны были открыты в космических лучах английскими физиками Рочестером и Батлером в 1947, однако убедительные доказательства существования Гиперонов были получены к 1951. Детальное и систематическое изучение Гиперонов стало возможным после того, как их начали получать на ускорителях заряженных частиц высокой энергии при столкновениях быстрых нуклонов, p-мезонов и К-мезонов с нуклонами атомных ядер. Открытие Гиперонов существенно расширило физические представления об элементарных частицах, поскольку были впервые открыты частицы с массой, большей нуклонной, и установлена новая важнейшая характеристика элементарных частиц -- странность. Введение странности понадобилось для объяснения ряда парадоксальных (с точки зрения существовавших представлений) свойств Гиперонов Интенсивное рождение Гиперона при столкновении адронов высокой энергии с несомненностью свидетельствовало о том, что они обладают сильным взаимодействием. С другой стороны, если бы распад Гиперонов вызывался сильным взаимодействием, их время жизни должно было бы составлять по порядку величины 10^-23 сек, что в 10¹³ раз (на 13 порядков) меньше установленного на опыте. Время жизни Гиперонов можно объяснить, если считать, что их распад происходит за счёт слабого взаимодействия, относительная интенсивность которого в этой области энергий как раз на 12--14 порядков меньше сильного (а, следовательно, время распада во столько же раз больше). Парадоксом казалось то, что частицы, обладающие сильным взаимодействием, не могут распадаться с помощью этого взаимодействия.

Согласно современной теории элементарных частиц, каждому Гиперону должна соответствовать античастица, отличающаяся от своего Гиперона знаком электрического и барионного зарядов и странности. Все антигипероны наблюдались на опыте; последним был открыт (1971) антиомега-Гиперон .

· Д-барионы (Д⁺⁺, Д⁺, Д⁰, Д^?), как и нуклоны, состоят из u- и d-кварков, но, в отличие от нуклонов, их спин равен 3/2. Распадаются они главным образом на нуклон и пион. Время жизни Д-барионов близко к 10^?23 с.

· Л-барионы (Л⁰) -- нейтральные (но не истинно нейтральные) частицы со спином 1/2 и странностью ?1 (то есть их можно называть Л-гиперонами), состоящие из u-, d- и s-кварка. В них u- и d-кварки находятся в синглетном по изоспину состоянии (I=0). Масса 1117 МэВ. Распадаются преимущественно на протон и отрицательный пион или на нейтрон и нейтральный пион с временем жизни 2,6Ч10^?10 с. Открыты также тяжёлые Л-барионы (Л⁺_c и Л⁰_b), в которых странный кварк заменён очарованным (c-кварком) или красивым (b-кварком).

· У-барионы (У⁺, У⁰, У^?) имеют спин 1/2, странность ?1. Как и Л-барион, состоят из u-, d- и s-кварка, но триплетны по изоспину (I=1). Нейтральный У⁰-барион имеет тот же кварковый состав, что и Л⁰-барион (uds), но тяжелее, в связи с этим он очень быстро распадается в Л⁰ с вылетом фотона (время жизни составляет лишь 6Ч10^?20 с, поскольку распад происходит за счёт электромагнитного взаимодействия). У⁺ (uus) и У^? (dds) распадаются за примерно 10^?10 с на пион и нуклон. Следует отметить, что У⁺ и У^? не являются частицей и античастицей -- это самостоятельные частицы, каждая из них (как, кстати, и У⁰) имеет свою античастицу. Массы У-гиперонов составляют около 1200 МэВ. Обнаружены также тяжёлые У-барионы, не являющиеся гиперонами (то есть содержащие вместо s-кварка более тяжёлый кварк).

· О-барионы (О⁰ и О^?) имеют спин 1/2, странность ?2. Они содержат по два странных кварка; кварковый состав uss (О⁰) и dss (О^?). Их масса близка к 1,3 ГэВ. Распадаются (с временем жизни около 10^?10 с) на пион и Л⁰-гиперон. Существуют тяжёлые О-барионы, не являющиеся гиперонами (один из странных кварков заменен c- или b-кварком).

· Щ-барионы (существует лишь один тип этих частиц, Щ^?-гиперон) имеют спин 3/2 и странность ?3, состоят из 3 странных кварков (sss). Масса частицы 1,672 ГэВ. Преимущественные моды распада -- на Л⁰-гиперон и отрицательный каон или на О⁰ и отрицательный пион (время жизни около 10^?10 с). Открыты некоторые тяжёлые Щ-барионы, отличающиеся заменой одного из s-кварков на тяжёлый кварк.

Декуплет барионов со спином 3/2

Октет барионов со спином 1/2

Существует также широкий спектр короткоживущих возбуждённых состояний этих барионов.

Большинство лёгких барионов в основном состоянии распадаются за счёт слабого взаимодействия, поэтому их время жизни относительно велико (исключение составляет, как было отмечено выше, У⁰-гиперон).Лёгкие барионы (гипероны, Д-барионы и нуклоны) в зависимости от спина входят в состав одного из двух мультиплетов: декуплета со спином 3/2 (Д-барионы, Щ-гипероны и возбуждённые состояния У- и О-гиперонов) и октета со спином 1/2 (нуклоны, У-, Л- и О-гипероны).

Таблица

Барионы (B = 1, L = 0)

2. Свойства барионов

Барионы участвуют во всех известных элементарных взаимодействиях: сильном, электромагнитном, слабом и гравитационном (см. Элементарные частицы. Тяготение). Наличие у Барионов сильного взаимодействия приводит к тому, что они активно взаимодействуют с атомными ядрами.

В любых ядерных реакциях, при любых взаимодействиях Барионы (при энергиях ниже порога рождения антибарионов) их общее число остаётся неизменным. Так, в процессах бета-распада нейтроны и протоны в ядрах могут превращаться друг в друга (с испусканием электронов и нейтрино или их античастиц), но их суммарное число всегда сохраняется. В результате распада Бариона обязательно образуется Барион. Никогда не наблюдались процессы, в которых они переходили бы в более лёгкие частицы без испускания Барионов. Например, не наблюдается процесс распада протона на позитрон и фотон, или захват атомного электрона протоном ядра с испусканием двух фотонов, или превращение нейтрона в электрон и положительно заряженный пи-мезон, хотя все эти процессы допустимы с точки зрения законов сохранения электрического заряда, энергии, импульса и момента количества движения (существование таких процессов приводило бы к нестабильности вещества).

Подмеченные закономерности были сформулированы в виде закона сохранения числа Барионов. Этому закону можно придать форму, напоминающую закон сохранения электрического заряда, если приписать Барионам специфический заряд -- так называемый барионный заряд (В), считая, что у лёгких частиц (фотонов, нейтрино, электронов, мезонов) он отсутствует (В = 0). Тогда закон сохранения числа Барионов принимает вид закона сохранения барионного заряда.

При взаимодействии Барионов очень высоких энергий возможно рождение антибарионов.

Закон сохранения числа Барионов, или барионного заряда, обобщается на процессы с участием антибарионов, если принять, что барионные заряды антибариона и Бариона противоположны по знаку (как это и следует из общих принципов квантовой теории поля). Если барионный заряд Бариона положить равным единице (B = 1), то у антибарионов В = -1, а барионный заряд системы частиц просто равен разности числа Барионов и антибарионов в этой системе. Одним из проявлений закона сохранения барионного заряда является то, что рождение антибариона обязательно сопровождается рождением дополнительного Б. (см. Аннигиляция и рождение пар).Высказывается гипотеза о существовании глубокой аналогии между электрическим и барионным зарядами. Подобно тому, как электрический заряд является источником электромагнитного поля, барионный заряд можно рассматривать как источник поля сильного взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие заряженных частиц осуществляется благодаря их обмену незаряженными частицами -- фотонами; аналогично сильное взаимодействие Барионов, например протонов и нейтронов, обусловлено их обменом мезонами -- частицами, лишёнными барионного заряда.

Странность

В физике элементарных частиц странность S -- квантовое число, необходимое для описания определенных короткоживущих частиц. Странность частицы определяется как:

где

-- количество странных антикварков и

-- количество странных кварков.

Причина для такого непонятного с первого взгляда определения в том, что концепция странности была определена до открытия существования кварков, и для сохранения смысла изначального определения странный кварк должен иметь странность ?1, а странный антикварк должен иметь странность +1.

Для всех ароматов кварков (странность, очарование, прелесть и истинность) правило следующее: значение аромата и электрический заряд кварка имеют одинаковый знак. По этому правилу любой аромат, переносимый заряженным мезоном, имеет тот же знак, что и его заряд.

Сохранение странности

Изначально странность была введена для объяснения такого факта, что некоторые частицы, такие, как каоны или некоторые гипероны, всегда рождаются парами. Предполагалось, что в ходе таких реакций сохраняется некая величина -- странность.

Странность сохраняется при сильном и электромагнитном взаимодействии, но не при слабых взаимодействиях. Следовательно, самые легкие частицы, содержащие странный кварк, не могут распадаться под действием сильного взаимодействия, и их аномально долгие в этом случае, странные времена жизни привели к их названию. В большинстве случаев странность меняется в ходе реакции на 1. Однако это необязательно выполняется в случае слабого взаимодействия второго порядка, где существует смесь из K⁰ и мезонов.

Например : з⁰-мезон состоит из одного s-кварка и одного s-антикварка, поэтому странность этой частицы равна 0.

3. Протон и Нейтрон

Протон -- стабильная частица из класса адронов, ядро атома водорода.

Трудно сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создание Э. Резерфордом планетарной модели атома (1911), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906--1919), и наблюдение ядер водорода, выбитых альфа-частицами из ядер азота (Э. Резерфорд, 1919). В 1925 г. П. Блэкетт получил в камере Вильсона (см. Детекторы ядерных излучений) первые фотографии следов протона, подтвердив открытие искусственного превращения элементов. В этих опытах ?-частица захватывалась ядром азота, которое испускало протон и превращалось в изотоп кислорода.

Вместе с нейтронами протоны образуют атомные ядра всех химических элементов, причем число протонов в ядре определяет атомный номер данного элемента. Протон имеет положительный электрический заряд, равный элементарному заряду, т. е. абсолютной величине заряда электрона. Это проверено на эксперименте с точностью до 10-21. Масса протона mp = (938,2796 ± 0,0027)МэВ или ~ 1,6-10-24 г, т. е. протон в 1836 раз тяжелее электрона! С современной точки зрения протон не является истинно элементарной частицей: он состоит из двух u-кварков с электрическими зарядами +2/3 (в единицах элементарного заряда) и одного d-кварка с электрическим зарядом -1/3. Кварки связаны между собой обменом другими гипотетическими частицами -- глюонами, квантами поля, переносящего сильные взаимодействия. Данные экспериментов, в которых рассматривались процессы рассеяния электронов на протонах, действительно свидетельствуют о наличии внутри протонов точечных рассеивающих центров. Эти опыты в определенном смысле очень похожи на опыты Резерфорда, приведшие к открытию атомного ядра. Будучи составной частицей, протон имеет конечные размеры ~ 10-13 см, хотя, разумеется, его нельзя представлять как твердый шарик. Скорее, протон напоминает облако с размытой границей, состоящее из рождающихся и аннигилирующих виртуальных частиц.Протон, как и все адроны, участвует в каждом из фундаментальных взаимодействий. Так. сильные взаимодействия связывают протоны и нейтроны в ядрах, электромагнитные взаимодействия -- протоны и электроны в атомах. Примерами слабых взаимодействий могут служить бета-распад нейтрона или внутриядерное превращение протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (для свободного протона такой процесс невозможен в силу закона сохранения и превращения энергии, так как нейтрон имеет несколько большую массу). Спин протона равен 1/2. Адроны с полуцелым спином называются барионами ( от греческого слова, означающего «тяжелый»). К барионам относятся протон, нейтрон, различные гипероны (?, ?, ?, ?) и ряд частиц с новыми квантовыми числами, большинство из которых еще не открыто. Для характеристики барионов введено особое число -- барионный заряд, равный 1 для барионов, - 1 -- для антибарионов и О -- для всех прочих частиц. Барионный заряд не является источником барионного поля, он введен лишь для описания закономерностей, наблюдавшихся в реакциях с частицами. Эти закономерности выражаются в виде закона сохранения барионного заряда: разность между числом барионов и антибарионов в системе сохраняется в любых реакциях. Сохранение барионного заряда делает невозможным распад протона, ибо он легчайший из барионов. Этот закон носит эмпирический характер и, безусловно, должен быть проверен на эксперименте. Точность закона сохранения барионного заряда характеризуется стабильностью протона, экспериментальная оценка для времени жизни которого дает значение не меньше 1032 лет.

В то же время в теориях, объединяющих все виды фундаментальных взаимодействий, предсказываются процессы, приводящие к нарушению барионного заряда и к распаду протона. Время жизни протона в таких теориях указывается не очень точно: примерно 1032±2 лет. Это время огромно, оно во много раз больше времени существования Вселенной (~ 2*1010 лет). Поэтому протон практически стабилен, что сделало возможным образование химических элементов и в конечном итоге появление разумной жизни. Однако поиски распада протона представляют сейчас одну из важнейших задач экспериментальной физики. При времени жизни протона ~ 1032 лет в объеме воды в 100 м3 (1 м3 содержит ~ 1030 протонов) следует ожидать распада одного протона в год. Остается всего лишь зарегистрировать этот распад. Открытие распада протона станет важным шагом к правильному пониманию единства сил природы.

Нейтрон -- нейтральная частица, относящаяся к классу адронов. Открыт в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком. Вместе с протонами нейтроны входят в состав атомных ядер. Электрический заряд нейтрона qn равен нулю. Это подтверждается прямыми измерениями заряда по отклонению пучка нейтронов в сильных электрических полях, показавшими, что |qn| <10-20e (здесь е -- элементарный электрический заряд, т. е. абсолютная величина заряда электрона). Косвенные данные дают оценку |qn|< 2?10-22 е. Спин нейтрона равен 1/2. Как адрон с полуцелым спином, он относится к группе барионов. У каждого бариона есть античастица; антинейтрон был открыт в 1956 г. в опытах по рассеянию антипротонов на ядрах. Антинейтрон отличается от нейтрона знаком барионного заряда; у нейтрона, как и у протона, барионный заряд равен +1.Как и протон и прочие адроны, нейтрон не является истинно элементарной частицей: он состоит из одного u-кварка с электрическим зарядом +2/3 и двух d-кварков с зарядом - 1/3, связанных между собой глюонным полем.

Нейтроны устойчивы лишь в составе стабильных атомных ядер. Свободный нейтрон -- нестабильная частица, распадающаяся на протон (р), электрон (е-) и электронное антинейтрино. Время жизни нейтрона составляет (917 ?14) с, т. е. около 15 мин. В веществе в свободном виде нейтроны существуют еще меньше вследствие сильного поглощения их ядрами. Поэтому они возникают в природе или получаются в лаборатории только в результате ядерных реакций.

По энергетическому балансу различных ядерных реакций определена величина разности масс нейтрона и протона: mn-mp(1,29344 ±0,00007) МэВ. Из сопоставления ее с массой протона получим массу нейтрона: mn = 939,5731 ± 0,0027 МэВ; это соответствует mn ~ 1,6-10-24.Нейтрон участвует во всех видах фундаментальных взаимодействий. Сильные взаимодействия связывают нейтроны и протоны в атомных ядрах. Пример слабого взаимодействия -- бета-распад нейтрона.

Участвует ли эта нейтральная частица в электромагнитных взаимодействиях? Нейтрон обладает внутренней структурой, и в нем при общей нейтральности существуют электрические токи, приводящие, в частности, к появлению у нейтрона магнитного момента. Иными словами, в магнитном поле нейтрон ведет себя подобно стрелке компаса. Это лишь один из примеров его электромагнитного взаимодействия. Большой интерес приобрели поиски дипольного электрического момента нейтрона, для которого была получена верхняя граница. Здесь самые эффективные опыты удалось поставить ученым Ленинградского института ядерной физики АН СССР; поиски дипольного момента нейтронов важны для понимания механизмов нарушения инвариантности относительно обращения времени в микропроцессах.

Гравитационные взаимодействия нейтронов наблюдались непосредственно по их падению в поле тяготения Земли.

Сейчас принята условная классификация нейтронов по их кинетической энергии:

медленные нейтроны (<105эВ, есть много их разновидностей),

быстрые нейтроны (105?108эВ), высокоэнергичные (> 108эВ).

Весьма интересными свойствами обладают очень медленные нейтроны(10-7эВ), которые получили название ультрахолодных. Оказалось, что ультрахолодные нейтроны можно накапливать в «магнитных ловушках» и даже ориентировать там их спины в определенном направлении. С помощью магнитных полей специальной конфигурации ультрахолодные нейтроны изолируются от поглощающих стенок и могут «жить» в ловушке, пока не распадутся. Это позволяет проводить многие тонкие эксперименты по изучению свойств нейтронов. Другой метод хранения ультрахолодных нейтронов основан на их волновых свойствах. Такие нейтроны можно просто хранить в замкнутой «банке». Эта идея была высказана советским физиком Я. Б. Зельдовичем в конце 1950-х гг., и первые результаты были получены в Дубне в институте ядерных исследований спустя почти десятилетие.

Недавно ученым удалось построить сосуд, в котором ультрахолодные нейтроны живут до своего естественного распада.

Свободные нейтроны способны активно взаимодействовать с атомными ядрами, вызывая ядерные реакции. В результате взаимодействия медленных нейтронов с веществом можно наблюдать резонансные эффекты, дифракционное рассеяние в кристаллах и т. п. Благодаря этим своим особенностям нейтроны широко используются в ядерной физике и физике твердого тела. Они играют важную роль в ядерной энергетике, в производстве трансурановых элементов и радиоактивных изотопов, находят практическое применение в химическом анализе и в геологической разведке.

Список литературы

Газиорович С. Физика элементарных частиц, пер. с английского, М. 1969

Иоффе Б.Л., Окунь Л.Б., Новые элементарные частицы, "Успехи физических наук", 1975, т. 117, в. 2, с. 227

Розенталь И.Л. Элементарные частицы и структура Вселенной. М, 1984.

Википедия

http://ermine.narod.ru