Предыдущая часть:
Лептоны (часть 1)
Здравствуйте! На прошлой неделе мы с вами говорили о частицах относительно лёгких — лептонах. Мы ещё строили таблицу, которую сегодня будем дополнять новыми элементами.
Барионы
Барионами (от греч. βαρύς — тяжёлый) называют частицы, которые состоят из трёх кварков. Самыми стабильными из них являются протон и нейтрон, которые образуют отдельную группу, называемую нуклонами (N). Помимо них существуют группы дельта (Δ), лямбда (Λ), сигма (Σ), кси (Ξ) и омега (Ω)-барионы. Определены они по одному свойству — уровню странности, о котором сейчас и поговорим.
Кварки
Кварки — это на данный момент фундаментальные частицы, из которых состоит ядро атома. У каждого кварка существует свой спин и электрический заряд, а также ряд квантовых чисел, которые можно приписать и к барионам, как сумме его составных кварков.
Формирование барионов и барионное число
Различные эксперименты показали, что в одной частице обычно находится 3 кварка. Однако есть и исключения — мезоны и экзотические барионы.
Чтобы сформировался барион, нужно, чтобы барионное число было равно 1. Каждый кварк имеет это число со значением 1/3, т.е. нужно три кварка. Каждый кварк так же имеет электрический заряд. Чтобы сформировать всю материю во Вселенной, нужно всего два кварка - u и d (от англ. up и down). d-кварк имеет заряд -1/3, а u-кварк — 2/3.
Рассмотрим следующую схему:
Протон является следующей комбинацией кварков: uud. В таком случае его заряд равен 2/3 + 2/3 - 1/3 = 1.
Нейтрон же состоит из комбинации udd, его заряд равен 2/3 - 1/3 - 1/3 = 0.
Дополнив таблицу самыми базовыми кварками, она приобретает следующий вид:
Свойства кварков (квантовые числа)
Изоспин
Каждый кварк имеет вращение вокруг своей оси, наподобии Земли, которая вращается и дарит нам смену дня и ночи. Спин был обнаружен только у u- и d-кварков, имея значение 1/2 и -1/2 соответственно. Именно по этой причине было предложено сделать косоугольную систему координат, ведь так может поместиться необходимые 3 параметра, а не 2 в случае с обычной прямоугольной.
Для примера попробуем создать барион и посчитать его квантовые числа, которые мы уже знаем. Забегая вперёд скажу, что s-кварк имеет те же свойства, что и d-кварк, но хранит в себе дополнительный параметр — странность. Для простоты восприятия значения можно представить в табличном виде. Давайте попробуем создать барион Ξ*- (ssd):
Давайте проделаем то же самое с барионом Σ*0 (uds):
Странность
Как читатель уже мог заметить, в декаплете барионов присутствует новый параметр — странность. Такое название исторически появилось, когда учёные только открывали новые частицы. Некоторые из них были необычайно стабильными, когда по расчётам должны были распадаться намного чаще, чем наблюдалось. Учёные прозвали такое поведение «странным» и ввели новый параметр странности. Затем, когда были открыты ещё квантовые числа, уже большое количество работ употребляло этот термин, поэтому его пришлось оставить.
Как видно из таблицы выше, s-кварки, именуемые странными, имеют похожие параметры, как и d-кварк за исключением изоспина. Вместе с этим s-кварки обладают странностью -1. Для них действует правило:
Значение электрического заряда и странности имеет один и тот же знак.
Т.к. s-кварк по свойствам совпадает с d-кварком, то и странность соответственно записывают со знаком «минус».
Цвет
На рисунке выше изображены барионы, получаемые путём комбинирования трёх кварков. На вершинах этого треугольника изображены барионы Δ-, Δ++ и Ω-, которые имеют комбинации кварков ddd, uuu и sss соответственно.
Их кварки все одинаковы, имеют одинаковый спин и вращаются по одной и той же орбитали. В физике элементарных частиц, однако, существует фундаментальный закон Паули, который гласит:
Тождественные частицы не могут находиться в одном и том же состоянии движения.
Из этого следует, что вероятно должна быть ещё одна характеристика, по которой кварки отличаются. Эта характеристика получила название цвета кварка или цветового заряда. Всего существует три значения для кварков: красный, зелёный и синий. Для антикварков существуют антикрасный, антизелёный и антисиний.
Эти цвета могут передаваться с помощью специальных частиц - глюонов, о которых мы поговорим в следующей статье.
Ароматы
Ароматы — это ещё некоторые квантовые числа (свойства) кварков. Один из них читатель уже знает, им является странность. Помимо странности существует ещё 3 аромата, с которыми можно образовать пары. Этими парами являются up-down кварки, strangeness-charm(странность-очарование) и bottom-top(низ-верх).
Их можно объединить по той причине, что они взаимоисключают самих себя. Например, s-кварк даёт значение странности -1, а противоположный ему c-кварк значение +1.
Для всех именованных ароматов кварков (странность, очарование, прелесть и истинность) правило следующее: значение аромата и электрический заряд кварка имеют одинаковый знак. По этой причине странный кварк даёт значение -1, т.к. он заряжен отрицательно, а очаровательный, дающий значение +1, заряжен положительно.
Теперь таблица частиц принимает следующий вид:
Но перед концом хочется рассказать про ещё один вид частиц.
Мезоны
Мезоны — это частицы, которые состоят из кварков и антикварков.
Они обладают одной особенностью - их барионное число равно нулю. В начале статьи было указано, что каждый кварк обладает числом 1/3 и при формировании троицы получается барион. Однако у антикварков все квантовые числа перевёрнуты по знаку. Таким образом они имеют число -1/3. Комбинируя один кварк и один антикварк, получается частица с барионным числом 0. Такие частицы называются мезонами.
Так же с помощью античастиц можно увеличивать количество кварков в барионе. Например, самым крупным барионом сейчас является семейство пентакварков. Они состоят из 4 кварков и одного кварка и получили обозначение Pc(4450)+ и Pc(4380)+
Заключение
Именно из барионов и лептонов состоит вся материя в нашей Вселенной. В таблице, приведённой выше, перечислены все их частицы. Однако помимо материи существуют ещё и некоторые фундаментальные силы, которые переносит другой вид частиц - бозоны.
Именно о них мы и поговорим в заключительной части цикла статей про элементарных частиц.
Следите за обновлениями!