Quark model

Model kvarků  - ve fyzice elementárních částic klasifikační schéma hadronů z hlediska jejich valenčních kvarků  - kvarků a antikvarků , generujících kvantová čísla hadronů.

Popis

Podle tohoto modelu se všechny silně interagující částice ( mezony , baryony , rezonanční částice ) skládají ze speciálních "podčástic" s dílčími elektrickými náboji - tří typů kvarků a také odpovídajících antičástic ( antikvarků ).

Kvarkový model popisuje známé hadrony jako složené z volných (valenčních) kvarků a/nebo antikvarků pevně spojených silnou silou nesenou gluony . Každý hadron také obsahuje „moře“ virtuálních párů kvark-antikvark.

Kvarkový model předpovídal, že během anihilace vysokoenergetického elektronu a pozitronu se nezrodí samotné hadrony, ale nejprve páry kvark-antikvark, které se pak změní na hadrony. Výsledek výpočtu průběhu takového procesu přímo závisel na náboji vyrobených kvarků. Experiment tyto předpovědi plně potvrdil [1] .

R. Peierls odkazuje kvarkový model elementárních částic po jeho objevení na fenomenologické modely, druhý typ matematických modelů [2] . Poté kvarkový model postupně přešel do kategorie hypotéz.

Kvarkový model z pohledu vzájemné interakce kvarků pomocí gluonů dobře vysvětluje štěpení hmot mezi členy dekupletu [3] .

Kvarkový model dobře vysvětluje rozdělení hmot mezi [4] .

Kvarkový model předpovídá pro poměr magnetických momentů protonu a neutronu hodnotu , která je v dobré shodě s experimentální hodnotou −1,47. Pro poměr magnetických momentů hyperonu a protonu předpovídá teorie kvarků hodnotu , která je rovněž v dobré shodě s experimentální hodnotou −0,29 ± 0,05 [5] .

Historicky bylo baryonové číslo určeno dlouho předtím, než byl založen dnešní kvarkový model.

Z kvarkového modelu je zřejmé, že kaony tvoří dva isospinové dublety; to znamená, že patří k základní reprezentaci skupiny SU(2) nazývané 2 . Jeden dublet s podivností +1 a isospin +1/2 obsahuje K + a K 0 . Antičástice tvoří druhý dublet s podivností −1 a isospin −1/2.

K popisu vnitřních vlastností hadronů jsou zapotřebí nerušivé přístupy. Mezi nimi jsou různé lokální i nelokální modely kvarků založené jak na kvantové chromodynamice, tak na fenomenologii. Tento model, model typu Nambu-Jona-Lasinio (jsou v něm vyloučeny gluony), byl vyvinut a umožnil popsat vlastnosti skalárních, pseudoskalárních a vektorových mezonů včetně jejich základních stavů a ​​také první radiální excitace. Na jejím základě byly předpovězeny hmotnosti skalárních mezonů, hmotnosti prvních radiálních excitací pseudoskalárních a vektorových mezonů. [6]

Evgeny Levin a Leonid Frankfurt rozvinuli myšlenku [7] modelu konstituujícího kvarku pro hadrony . Tento model byl úspěšně experimentálně potvrzen.

Po experimentálním objevu Bjorken škálování , potvrzení kvarkového modelu a asymptotické volnosti v kvantové chromodynamice byly partony identifikovány s kvarky a gluony , které tvoří hadrony.

Nekvarkové modely mezonů zahrnují exotické mezony , které mají v kvarkovém modelu nemožný soubor kvantových čísel . Typicky se každý mezon v kvarkovém modelu jeví jako SU(3) aromatický nonet  — oktet a aromatický singlet. Ukázalo se, že lepicí kulička je další částice mimo nonet. Navzdory zdánlivé jednoduchosti výpočtu zůstává definice jakéhokoli výsledného stavu jako lepicí koule, tetrakvark nebo hybridní mezon i dnes nejasná a spekulativní. I když existuje shoda, že jeden z několika stavů je jedním z těchto mezonů mimo kvarkový model, stupeň míšení a přesná klasifikace podléhají nejistotám. Značná experimentální práce se také provádí za účelem stanovení kvantových čísel každého stavu a ověření přesnosti výsledků. V důsledku toho jsou všechny definice mimo kvarkový model nejisté a spekulativní. Situace na konci roku 2004 je podrobněji rozebrána níže .

Kandidát na klasifikaci jako lepicí koule

f 0 (1370) a f 0 (1500) nemohou být mezony v rámci kvarkového modelu, protože jeden z nich je doplňkovou částicí k mezonovému nonetu. Vytvoření stavu s vyšší hmotností při 2 fotonových reakcích, jako jsou reakce 2γ → 2π nebo 2γ → 2K , není pozorováno. Rozpady také dávají nějaký důvod se domnívat, že jedním z nich je lepicí koule.

Historie

Shoichi Sakata navrhl model Sakata , který předchází kvarkový model.

Model kvarku nezávisle na sobě navrhli fyzici M. Gell-Mann [8] a J. Zweig [9] [10] (viz také [11] ) v roce 1964. Existence d-kvarků byla poprvé předpovězena v roce 1964  , kdy Gell-Mann a Zweig vyvinuli kvarkový model.

V kvarkovém modelu je částice Δ ++ (1232) složena ze tří u -kvarků se spiny orientovanými ve stejném směru a orbitální moment hybnosti jejich relativního pohybu je nulový. Všechny tři kvarky v tomto případě musí být ve stejném kvantovém stavu , a protože kvark je fermion , je taková kombinace zakázána Pauliho vylučovacím principem [12] . V roce 1965 N. N. Bogolyubov , B. V. Struminsky a A. N. Tavkhelidze [13] a také Han Mo Young spolu s Yoichiro Nambu [14] a O. Grinberg nezávisle na sobě tento problém vyřešili za předpokladu, že kvark má další stupně volnosti skupiny měřidel SU(3) , později nazývané "barevné náboje". Na nutnost přiřadit kvarkům další číslo upozornil BV Struminsky v předtisku ze 7. ledna 1965 [15] [16] . Výsledky práce N. N. Bogolyubova, B. Struminského a A. N. Tavkhelidzeho byly prezentovány v květnu 1965 na mezinárodní konferenci teoretické fyziky v Terstu [17] . Yoichiro Nambu prezentoval své výsledky na podzim 1965 na konferenci v USA [18] [19] . Khan a Nambu poznamenali, že kvark interaguje prostřednictvím oktetu vektorových bosonů , nazývaných gluony .  

Kvarky byly brzy rozpoznány jako základní elementární objekty, které tvoří hadrony. Moderní teorie kvarkové interakce se nazývá kvantová chromodynamika (QCD) a je založena na práci M. Gell-Mana. Model kvarku je součástí QCD a ukázalo se, že je dostatečně silný, aby přežil objev kvarkových chutí .

Termín aroma se poprvé objevil v kvarkovém modelu hadronů v roce 1970.

Model kvarku byl fyzikální komunitou uznán v roce 1976 [20] .

Tříkvarkový model

Standardní model kvarku (také nazývaný naivní model kvarku a Gell-Mann-Zweigův model kvarku [21] ): Tento model předpokládá, že baryon se skládá ze tří tzv. valenčních kvarků a „moře“ virtuálních párů kvark-antikvark a virtuálních gluonů. . Pentakvarky nepřipadají v úvahu. Hadrony, které nezapadají do rámce tohoto modelu, se nazývají exotické [22] .

Stavy mimo kvarkový model

I když je kvarkový model odvozen z teorie kvantové chromodynamiky , struktura hadronů je složitější, než umožňuje tento model. Kompletní kvantová mechanika vlnové funkce jakéhokoli hadronu musí zahrnovat virtuální páry kvarků i virtuální gluony a umožňuje mnoho směsí. Mohou existovat hadrony, které leží mimo kvarkový model. Mezi ně patří glunias (které obsahují pouze valenční gluony), „hybridy“ (které obsahují valenční kvarky i gluony) a „ exotické hadrony “ (jako jsou tetrakvarky nebo pentakvarky ).

Poznámky

  1. ↑ Úvod do kvarků a partonů, 1982 , str. 246.
  2. ↑ Peierls R. Model-Making in Physics. — Contemp. Phys., leden/únor 1980, v. 21, str. 3-17; Překlad: R. Peierls , Konstrukce fyzických modelů, UFN, 1983, č. 6.
  3. ↑ Úvod do kvarků a partonů, 1982 , str. 369.
  4. ↑ Úvod do kvarků a partonů, 1982 , str. 379.
  5. ↑ Teorie kvarků, 1971 , str. 116.
  6. ↑ Hadrony, kouzelné mezony a hledání kvark-gluonového plazmatu . old.elementy.ru _ Staženo: 27. prosince 2017.
  7. ↑ "Kvarkova hypotéza a vztahy mezi průřezy při vysokých energiích." . stanford.edu . Staženo: 27. prosince 2017.  (nedostupný odkaz)
  8. ↑ M. Gell-Mann. Schematický model baryonů a mezonů   // Physics Letters  : deník. - 1964. - Sv. 8 , č. 3 . - S. 214-215 . - doi : 10.1016/S0031-9163(64)92001-3 . - .
  9. ↑ G. Zweig. Model SU(3) pro silnou interakční symetrii a její prolomení //  Zpráva CERN č.8182/TH.401: časopis. — 1964.  
  10. ↑ G. Zweig. Model SU(3) pro silnou interakční symetrii a její prolomení: II //  Zpráva CERN č. 8419/TH.412: časopis. — 1964.  
  11. ↑ Petermann, A. Propriétés de l'étrangeté et une formule de masse pour les mésons vectoriels  (francouzsky)  // Nuclear Physics : magazín. - 1965. - Sv. 63 , č . 2 . — S. 349 . - doi : 10.1016/0029-5582(65)90348-2 . — . který se opatrně dotýkal ústředních myšlenek, bez kvantitativního zdůvodnění; [1] Archivováno 16. října 2017 na Wayback Machine
  12. ↑ Kvarkový model hadronů . nuclphys.sinp.msu.ru . Získáno 27. prosince 2017. Archivováno z originálu 2. února 2020.
  13. ↑ N. Bogolubov, B. Struminskij, A. Tavkhelidze. SÚJV Předtisk D-1968, Dubna 1965.
  14. ↑ MŮJ Han a Y. Nambu, Phys. Rev. 139, B1006 (1965).
  15. ↑ B. V. Struminsky , Magnetické momenty baryonů v modelu kvarku. JINR-Předtisk P-1939, 1965.
  16. ↑ F. Tkachov, Příspěvek k historii kvarků: publikace JINR Borise Struminského z roku 1965 Archivováno 6. října 2016 ve Wayback Machine
  17. ↑ A. Tavkhelidze. Proč. Seminář o fyzice vysokých energií a elementárních částicích, Terst, 1965, Vídeň IAEA, 1965, str. 763.
  18. ↑ K otázce objevu kvantového čísla "COLOR" Archivní kopie ze dne 4. března 2016 na Wayback Machine na stránkách INR RAS.
  19. ↑ INR RAS - stránka akademika A. N. Tavkhelidzeho . www.inr.ru _ Získáno 27. prosince 2017. Archivováno z originálu dne 29. listopadu 2017.
  20. ↑ Kvarky - půl století . old.elementy.ru _ Získáno 27. prosince 2017. Archivováno z originálu 30. listopadu 2018.
  21. ↑ Pentakvarky . old.elementy.ru _ Staženo: 27. prosince 2017.
  22. ↑ Klasifikace hadronů . old.elementy.ru _ Získáno 27. prosince 2017. Archivováno z originálu dne 29. listopadu 2018.

Literatura

Odkazy