Классификация адронов в рамках кварковой модели

Введение

Схема классификации адронов

В физике частиц кварковая модель — это схема классификации адронов с точки зрения их валентных кварков — кварков и антикварков, которые определяют квантовые числа адронов. Кварковая модель лежит в основе "вкуса SU(3)", или Восьмикратного пути, успешной схемы классификации, упорядочивающей большое количество более легких адронов, которые начали обнаруживать в 1950-х годах и продолжали открывать в 1960-х годах. Она получила экспериментальное подтверждение, начиная с конца 1960-х годов, и до сих пор является действующей и эффективной классификацией. Модель была независимо предложена физиками Мюрреем Гелл-Манном, который назвал их "кварками" в краткой статье, и Джорджем Цвайгом, который предложил название "эйсы" в более объемной рукописи. Андре Петерманн также касался основных идей с 1963 по 1965 год, но без столь значительного количественного обоснования. Сегодня модель фактически включена в состав установленной квантовой теории поля сильных и электрослабых взаимодействий частиц, известной как Стандартная модель. Адроны на самом деле не являются "элементарными" и могут рассматриваться как связанные состояния их "валентных кварков" и антикварков, которые определяют квантовые числа адронов. Эти квантовые числа — это метки, идентифицирующие адроны, и они бывают двух типов. Один набор происходит из симметрии Пуанкаре — JPC, где J, P и C обозначают полный угловой момент, P-симметрию и C-симметрию соответственно. Другой набор — это квантовые числа вкуса, такие как изоспин, странность, очарование и так далее. Сильные взаимодействия, связывающие кварки, нечувствительны к этим квантовым числам, поэтому изменение их значений приводит к систематическим соотношениям между массой и связью адронов в одном и том же вкусовом мультиплете. Всем кваркам присвоено барионное число. Кварки верхнего, очарованного и истинного имеют электрический заряд +, а кварки нижнего, странного и прелестного — электрический заряд −. Антикварки имеют противоположные квантовые числа. Кварки являются спиновыми частицами и, следовательно, фермионами. Каждый кварк или антикварк индивидуально подчиняется формуле Гелла-Манна — Нишиджимы, поэтому любая их аддитивная комбинация также будет ей подчиняться. Мезоны состоят из пары валентных кварк-антикварков (следовательно, их барионное число равно 0), а барионы состоят из трех кварков (следовательно, их барионное число равно 1). В этой статье рассматривается кварковая модель для кварков верхнего, нижнего и странного вкусов (которые образуют приблизительную симметрию вкуса SU(3)). Существуют обобщения для большего числа вкусов.

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.

История

Разработка схем классификации адронов стала актуальным вопросом после того, как новые экспериментальные методы обнаружили так много частиц, что стало ясно, что не все они могут быть элементарными. Эти открытия заставили Вольфганга Паули воскликнуть: "Если бы я предвидел это, я бы занялся ботаникой", а Энрико Ферми посоветовать своему ученику Леону Ледерману: "Молодой человек, если бы я мог запомнить названия этих частиц, я бы стал ботаником". Эти новые схемы принесли Нобелевские премии экспериментальным физикам частиц, включая Луиса Альвареса, который был в авангарде многих из этих разработок. Конструирование адронов как связанных состояний из меньшего числа составляющих должно было упорядочить этот "зоопарк". Несколько ранних предложений, таких как работы Энрико Ферми и Чэнь Нина Яна (1949) и модель Сакаты (1956), удовлетворительно описывали мезоны, но не справлялись с барионами и поэтому не могли объяснить все данные. Формула Гелл-Манна — Нисидзимы, разработанная Мюрреем Гелл-Манном и Казухико Нисидзимой, привела к классификации "Восьмикратного пути", изобретенной Гелл-Манном, с важным независимым вкладом Ювала Неэмана в 1961 году. Адроны были организованы в SU(3) представления – мультиплеты, октеты и декуплеты, примерно одинаковой массы, из-за сильных взаимодействий, а небольшие различия в массе были связаны с квантовыми числами вкуса, невидимыми для сильных взаимодействий. Формула массы Гелл-Манна — Окубо систематизировала количественное определение этих небольших различий в массе между членами адронного мультиплета, определяемых явным нарушением симметрии SU(3). Спиновый барион, член десятикуплета основного состояния, был важным предсказанием этой классификации. После его обнаружения в эксперименте в Брукхейвенской национальной лаборатории Гелл-Манн получил Нобелевскую премию по физике за свою работу по "Восьмикратному пути" в 1969 году. Наконец, в 1964 году Гелл-Манн и независимо от него Джордж Цвейг выяснили, что кодирует картина "Восьмикратного пути": они предположили существование трех элементарных фермионных составляющих — кварков с названиями "верхний", "нижний" и "странный", которые не наблюдаются и, возможно, не могут быть наблюдаемы в свободном состоянии. Простые парные или тройные комбинации этих трех составляющих и их античастиц лежат в основе и элегантно кодируют классификацию "Восьмикратного пути", представляя собой экономичную и компактную структуру, приводящую к дальнейшей простоте. Различия в массах адронов теперь связывались с различными массами составляющих кварков. Потребовалось около десяти лет, чтобы в полной мере оценить неожиданную природу и физическую реальность этих кварков (см. статью "Кварки"). Вопреки интуиции, их никогда нельзя наблюдать в изоляции (цветовое удержание), но вместо этого они всегда объединяются с другими кварками, образуя полные адроны, которые затем предоставляют достаточно косвенной информации о заключенных кварках. И наоборот, кварки используются в определении квантовой хромодинамики, фундаментальной теории, полностью описывающей сильные взаимодействия, а "Восьмикратный путь" теперь понимается как следствие структуры симметрии вкуса самых легких из них.

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.

Открытие цвета

Цветные квантовые числа являются характеристическими зарядами сильного взаимодействия и совершенно не участвуют в электрослабых взаимодействиях. Они были открыты как следствие классификации кварковой модели, когда стало понятно, что спиновый барион, , требует трех верхних кварков с параллельными спинами и нулевым орбитальным угловым моментом. Следовательно, он не мог иметь антисимметричную волновую функцию (которая требуется принципом исключения Паули). Оскар Гринберг отметил эту проблему в 1964 году, предположив, что кварки должны быть парафермионами. Однако, спустя полгода Му Ён Хан и Йоичиро Намбу предположили существование скрытой степени свободы, которую они обозначили как группа SU(3)' (но позднее назвали "цвет"). Это привело к трем группам кварков, волновая функция которых была антисимметрична по цветовой степени свободы. В этой модели аромат и цвет были связаны: они не коммутировали. Современная концепция цвета, полностью коммутирующая со всеми другими зарядами и определяющая заряд сильного взаимодействия, была сформулирована в 1973 году Уильямом Бардином, Харальдом Фрицшем и Мюрреем Гелл-Манном.

Состояния вне кварковой модели

Хотя кварковая модель выводима из теории квантовой хромодинамики, структура адронов сложнее, чем это позволяет. Полная квантовомеханическая волновая функция любого адрона должна включать виртуальные пары кварков и виртуальные глюоны, а также допускать различные смешивания. Могут существовать адроны, не описываемые кварковой моделью. К ним относятся глюболы (содержащие только валентные глюоны), гибридные адроны (содержащие валентные кварки и глюоны) и экзотические адроны (например, тетракварки или пентакварки).