Гадрондарды жіктеу схемасы

Кіріспе

Хадрондарды жіктеу схемасы

Бөлшектер физикасында кварк моделі – адрондарды олардың валентті кварктары, яғни адрондардың кванттық сандарын тудыратын кварктар мен антикварктар тұрғысынан жіктеу схемасы. Кварк моделі "flavor SU(3)" немесе "Сегіздік жол" деп аталатын, 1950 жылдары басталып, 1960 жылдары жалғасқан, көптеген жеңіл адрондарды ұйымдастырған сәтті жіктеу схемасының негізінде жатыр. Модель 1960 жылдардың соңында эксперименталдық растау алды және бүгінгі күнге дейін олардың жарамды және тиімді жіктелуі болып табылады. Физиктер Мюррей Гелл-Манн және Джордж Цвайг модельді тәуелсіз түрде ұсынды. Гелл-Манн оларды қысқа мақаласында "кварктар" деп атады, ал Цвайг ұзын қолжазбасында "эйстер" деп атауды ұсынды. Андре Петерман да 1963-1965 жылдары осы модельдің негізгі идеяларын қарастырды, бірақ оны сандық тұрғыда толыққанды негіздемелемеді. Бүгінде модель, "Стандартты модель" деп аталатын күшті және электрослабо өзара әрекеттесулердің кванттық өріс теориясының құрамдас бөлігі ретінде қабылдалды. Адрондар шынымен "элементарлық" емес, оларды олардың "валентті кварктары" мен антикварктарының байланысқан күйлері ретінде қарастыруға болады, олар адрондардың кванттық сандарын тудырады. Бұл кванттық сандар адрондарды анықтайтын белгілер болып табылады және екі түрлі болады. Бір жиынтығы – Поанкаре симметриясынан туындайтын JPC, мұнда J, P және C тиісінше жалпы бұрыштық импульс, P-симметрия және C-симметрияны білдіреді. Екінші жиынтығы – изоспин, құпиялылық, шарма және т.б. сияқты дәмдік кванттық сандар. Кварктарды байланыстыратын күшті өзара әрекеттесулер осы кванттық сандарға сезімтал емес, сондықтан олардың өзгеруі бірдей дәмдік мультиплеттегі адрондар арасындағы жүйелі массалық және байланыс қатынастарын тудырады. Барлық кварктарға бариондық сан тағайындалады. Үстіңгі, шарма кварктарының электр заряды + тең, ал төменгі, құпиялы, төменгі кварктардың электр заряды – тең. Антикварктардың кванттық сандары кері шамада болады. Кварктар спиндік бөлшектер, сондықтан фермиондар. Әрбір кварк немесе антикварк жеке-жеке Гелл-Манн – Нишиджима формуласына бағынады, сондықтан олардың кез келген қосындысы да солай болады. Мезондар валентті кварк-антикварк жұптарынан тұрады (сондықтан бариондық саны 0), ал бариондар үш кварктан тұрады (сондықтан бариондық саны 1). Бұл мақалада кварктың үстіңгі, төменгі және құпиялы дәмдеріне (шамамен дәмдік SU(3) симметриясын құрайтын) қатысты кварк моделі талқыланады. Дәмдердің үлкен санына қатысты да жалпыламалар бар.

In particle physics, the quark model is a classification scheme for hadrons in terms of their valence quarks—the quarks and antiquarks that give rise to the quantum numbers of the hadrons. The quark model underlies "flavor SU(3)", or the Eightfold Way, the successful classification scheme organizing the large number of lighter hadrons that were being discovered starting in the 1950s and continuing through the 1960s. It received experimental verification beginning in the late 1960s and is a valid and effective classification of them to date. The model was independently proposed by physicists Murray Gell Mann, who dubbed them "quarks" in a concise paper, and George Zweig, who suggested "aces" in a longer manuscript. André Petermann also touched upon the central ideas from 1963 to 1965, without as much quantitative substantiation. Today, the model has essentially been absorbed as a component of the established quantum field theory of strong and electroweak particle interactions, dubbed the Standard Model. Hadrons are not really "elementary", and can be regarded as bound states of their "valence quarks" and antiquarks, which give rise to the quantum numbers of the hadrons. These quantum numbers are labels identifying the hadrons, and are of two kinds. One set comes from the Poincaré symmetry—JPC, where J, P and C stand for the total angular momentum, P symmetry, and C symmetry, respectively. The other set is the flavor quantum numbers such as the isospin, strangeness, charm, and so on. The strong interactions binding the quarks together are insensitive to these quantum numbers, so variation of them leads to systematic mass and coupling relationships among the hadrons in the same flavor multiplet. All quarks are assigned a baryon number of Up, charm and top quarks have an electric charge of +, while the down, strange, and bottom quarks have an electric charge of −. Antiquarks have the opposite quantum numbers. Quarks are spin particles, and thus fermions. Each quark or antiquark obeys the Gell Mann–Nishijima formula individually, so any additive assembly of them will as well. Mesons are made of a valence quark–antiquark pair (thus have a baryon number of 0), while baryons are made of three quarks (thus have a baryon number of 1). This article discusses the quark model for the up, down, and strange flavors of quark (which form an approximate flavor SU(3) symmetry). There are generalizations to larger number of flavors.

Тарих

Адрондарды жіктеу схемаларын әзірлеу, жаңа тәжірибелік әдістер олардың көптігін ашқаннан кейін, уақтылы мәселе болды, олардың барлығы элементарлық бола алмайтыны анық болды. Бұл жаңалықтар Вольфганг Паулидің «Егер мен мұны алдын ала білгенде, ботаникамен айналысқан болар едім» деп айқайлауына себеп болды, ал Энрико Ферми студенті Леон Ледерманға: «Жас жігіт, егер мен осы бөлшектердің аттарын жаттай алсам, ботаник болар едім» деп кеңес берді. Бұл жаңа схемалар эксперименталды бөлшектер физикасы саласындағы ғалымдарға, Луис Альварес сияқты, осы дамулардың алдыңғы қатарында болғандарға Нобель сыйлығын әкелді. Сондықтан, хадрондарды азырақ құрауыштардан тұратын байланысқан күйлер ретінде құру қолдағы «зоопаркты» ұйымдастыруға мүмкіндік беретін еді. Энрико Ферми мен Чен Нинг Янның (1949) және Саката моделінің (1956) сияқты бірнеше ерте ұсыныстар мезондарды қанағаттанарлық деңгейде қамтыды, бірақ бариондармен қатысты сәтсіз аяқталды, сондықтан барлық деректерді түсіндіре алмады. Мюррей Гелл-Манн мен Казухико Нишиджима әзірлеген Гелл-Манн – Нишиджима формуласы 1961 жылы Юваль Неэманның маңызды тәуелсіз үлесімен Гелл-Манн ұсынған «Сегіз жол» жіктемесіне әкелді. Адрондар күшті өзара әрекеттесулерге байланысты, шамамен бірдей массаға ие SU(3) өкілдік мультиплеттеріне, октеттерге және декуплеттерге ұйымдастырылды; ал күшті өзара әрекеттесулерге көрінбейтін дәмдік кванттық сандарға байланысты кіші массалық айырмашылықтар байқалды. Гелл-Манн – Окубо массалық формуласы SU(3) симметриясының бұзылуымен анықталатын адрондық мультиплет мүшелері арасындағы осы шағын массалық айырмашылықтарды жүйелеуге мүмкіндік берді. Негізгі күйдегі декуплет мүшесі – спин-барион, осы жіктеменің маңызды болжамы болды. Брукхейвен ұлттық зертханасында экспериментте оның табылуынан кейін, Гелл-Манн 1969 жылы «Сегіз жол» бойынша жұмысы үшін физика саласындағы Нобель сыйлығын алды. Соңында, 1964 жылы Гелл-Манн және тәуелсіз түрде Джордж Цвайг «Сегіз жол» суреті нені кодтайтынын анықтады: Олар үш элементарлық фермиондық құрамдас бөліктерді – «жоғары», «төмен» және «ерекше» кварктерді – ұсынды, олар байқалмайды және мүмкін, еркін күйде байқауға болмайды. Осы үш құрамдас бөліктердің және олардың антибөлшектерінің қарапайым жұптық немесе үштік комбинациялары «Сегіз жол» жіктемесін экономикалық, тығыз құрылымда, одан әрі қарапайымдылыққа әкеліп, әдемі түрде кодтайды. Адрондық масса айырмашылықтары енді құрамдас кварктердің әртүрлі массаларымен байланысты болды. Бұл кварктердің күтпеген сипаты мен физикалық шындығын толыққанды бағалауға шамамен он жыл уақыт кетті (қ. Қварктер). Интуитивті түрде, оларды оқшауландырып (түс шектеуі) байқау мүмкін емес, бірақ олар әрқашан басқа кварктермен бірігіп толық адрондарды құрайды, содан кейін тұтқындалған кварктер туралы мол жанама ақпарат береді. Керісінше, кварктар кванттық хромодинамиканың анықтамасын құрайды, күшті өзара әрекеттесулерді толық сипаттайтын негізгі теория; ал «Сегіз жол» енді олардың ең жеңіл үшінің дәмдік симметрия құрылымының салдары ретінде түсіндіріледі.

Developing classification schemes for hadrons became a timely question after new experimental techniques uncovered so many of them that it became clear that they could not all be elementary. These discoveries led Wolfgang Pauli to exclaim "Had I foreseen that, I would have gone into botany." and Enrico Fermi to advise his student Leon Lederman: "Young man, if I could remember the names of these particles, I would have been a botanist." These new schemes earned Nobel prizes for experimental particle physicists, including Luis Alvarez, who was at the forefront of many of these developments. Constructing hadrons as bound states of fewer constituents would thus organize the "zoo" at hand. Several early proposals, such as the ones by Enrico Fermi and Chen Ning Yang (1949), and the Sakata model (1956), ended up satisfactorily covering the mesons, but failed with baryons, and so were unable to explain all the data. The Gell Mann–Nishijima formula, developed by Murray Gell Mann and Kazuhiko Nishijima, led to the Eightfold Way classification, invented by Gell Mann, with important independent contributions from Yuval Ne'eman, in 1961. The hadrons were organized into SU(3) representation multiplets, octets and decuplets, of roughly the same mass, due to the strong interactions; and smaller mass differences linked to the flavor quantum numbers, invisible to the strong interactions. The Gell Mann–Okubo mass formula systematized the quantification of these small mass differences among members of a hadronic multiplet, controlled by the explicit symmetry breaking of SU(3). The spin baryon, a member of the ground state decuplet, was a crucial prediction of that classification. After it was discovered in an experiment at Brookhaven National Laboratory, Gell Mann received a Nobel prize in physics for his work on the Eightfold Way, in 1969. Finally, in 1964, Gell Mann, and, independently, George Zweig, discerned what the Eightfold Way picture encodes: They posited three elementary fermionic constituents—the "up", "down", and "strange" quarks—which are unobserved, and possibly unobservable in a free form. Simple pairwise or triplet combinations of these three constituents and their antiparticles underlie and elegantly encode the Eightfold Way classification, in an economical, tight structure, resulting in further simplicity. Hadronic mass differences were now linked to the different masses of the constituent quarks. It would take about a decade for the unexpected nature—and physical reality—of these quarks to be appreciated more fully (See Quarks). Counter intuitively, they cannot ever be observed in isolation (color confinement), but instead always combine with other quarks to form full hadrons, which then furnish ample indirect information on the trapped quarks themselves. Conversely, the quarks serve in the definition of quantum chromodynamics, the fundamental theory fully describing the strong interactions; and the Eightfold Way is now understood to be a consequence of the flavor symmetry structure of the lightest three of them.

Түсті табу

Түсті кванттық сандар – күшті күштердің ерекше зарядтары болып табылады және электроәлсіз өзара әрекеттесулерге ешқандай қатысы жоқ. Олар кварк моделінің жіктелуі нәтижесінде ашылды, онда спиндік барионның, , үш жоғары кварктан параллель спиндермен және нөлдік орбиталық бұрыштық импульспен тұратыны анықталды. Сондықтан, ол Паулидің тыйым салу принципіне сәйкес антисимметриялық толқындық функцияға ие бола алмайды. Оскар Гринберг 1964 жылы бұл мәселені атап өтіп, кварктар парафермиондар болуы керек деп ұсынды. Алты айдан кейін Му Ён Хан мен Йоичиро Намбу SU(3) тобының жасырын еркіндік дәрежесінің бар екенін айтты (кейін «түс» деп аталды). Бұл түстік еркіндік дәрежесі бойынша антисимметриялық толқындық функцияға ие үш кварк үштігіне әкелді. Дәм мен түс сол модельде өзара байланысты болды: олар коммутацияланбады. Түстің қазіргі заманғы түсінігі, барлық басқа зарядтармен толық коммутацияланып, күшті күштің зарядын қамтамасыз етеді, 1973 жылы Уильям Бардин, Харальд Фрицш және Мюррей Гелл-Манн тарапынан қалыптастырылды.

Кварк моделіне жатпайтын мемлекеттер

Кварк моделі кванттық хромодинамика теориясынан туындаса да, адрондардың құрылымы осы модельге қарағанда әлдеқайда күрделі. Кез келген адронның толық кванттық механикалық толқындық функциясы виртуалды кварк жұптарымен қатар виртуалды глюондарды да қамтуы тиіс, сондай-ақ түрлі араласуларға мүмкіндік береді. Кварк моделіне сыймайтын адрондар да болуы мүмкін. Олардың ішінде глюобұлдар (тек валентті глюондардан ғана тұрады), гибридтер (валентті кварктармен және глюондармен бірге) және экзотикалық адрондар (мысалы, тетракварктар немесе пентакварктар) бар.