§92. Классификация и структура адронов

Определения и обозначения

Адрон — частица, участвующая в сильном взаимодействии, одном из фундаментальных видов взаимодействия. В отличие от адронов, лептоны в сильном взаимодействии не участвуют. Это различие помогает разделять частицы на группы по тому, как они взаимодействуют с веществом.

Кварк — элементарная частица, из комбинаций которой образуются адроны. Кварки различают по аромату: u (верхний), d (нижний), c (очарованный), s (странный), t (истинный) и b (прелестный). Заряды u-, c- и t-кварков равны +⅔e, а d-, s- и b-кварков — −⅓e; эти значения нужны, чтобы находить заряд составной частицы.

Барион — адрон, состоящий из трёх кварков, например протон или нейтрон. Антибарион образован тремя антикварками, у которых соответствующие аддитивные квантовые числа противоположны числам кварков. Это определение позволяет отличить барионы от других адронов по их составу.

Мезон — адрон, состоящий из кварка и антикварка. Антикварк имеет противоположный электрический заряд по сравнению с соответствующим кварком, поэтому при расчёте заряда мезона нужно учитывать оба знака. Понятие мезона необходимо, чтобы описать адроны, которые не состоят из трёх кварков.

Как это устроено

Адроны выделяют в отдельную группу потому, что на них действует сильное взаимодействие. Оно связывает составляющие частицы и особенно существенно на малых расстояниях, внутри адрона. Лептоны, например электрон, такого взаимодействия не испытывают, поэтому их относят к другой группе элементарных частиц. Значит, классификация отражает не только названия частиц, но и особенности их взаимодействия.

Кварковая модель объясняет разнообразие адронов через состав из кварков и антикварков. Если в составе три кварка, частица относится к барионам; если кварк соединён с антикварком — к мезонам. Разные ароматы дают множество возможных комбинаций, поэтому известные адроны можно упорядочить по их составу. Число и тип составляющих частиц, таким образом, служат основой классификации.

Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка, то есть имеет состав uud. Его заряд равен сумме зарядов составляющих: +⅔e + ⅔e − ⅓e = +e. Нейтрон содержит один u-кварк и два d-кварка, поэтому его состав — udd, а суммарный заряд равен +⅔e − ⅓e − ⅓e = 0. Так дробные заряды кварков объясняют целые заряды привычных частиц.

Мезон образован парой кварк—антикварк, и его заряд тоже находится сложением зарядов этих двух составляющих. Например, положительный пи-мезон π⁺ состоит из u-кварка и антикварка d̄. Заряд u-кварка равен +⅔e, а заряд d̄ — +⅓e, поэтому заряд мезона составляет +e. Для других мезонов применяется тот же способ: сначала определяют состав, затем складывают заряды.

Кварки не наблюдаются в свободном состоянии, потому что сильное взаимодействие удерживает их внутри связанных систем — адронов. При попытке раздвинуть кварки энергия взаимодействия растёт, и вместо отдельного кварка образуются новые адроны. Поэтому в опытах обнаруживают частицы и продукты распада, а не изолированные кварки. Это свойство объясняет, почему кварковую модель проверяют по наблюдаемым адронам.

Классы адронов и их кварковый состав

Таблица сопоставляет барионы и мезоны по составу, числу составляющих частиц, примерам и спину. Чтобы определить класс неизвестного адрона, прежде всего посмотрите на его кварковый состав. Затем проверьте, согласуется ли с ним пример и тип спина.

Разбор задач

Задача 1. Определить, является ли протон адроном и к какому классу он относится. Достаточно проверить участие протона в сильном взаимодействии и сравнить его состав с определениями бариона и мезона. По известному кварковому составу протона это можно сделать без дополнительных вычислений.

1. Протон участвует в сильном взаимодействии, поэтому по определению он является адроном.
2. Его кварковый состав — uud: в частице находятся три кварка.
3. Адрон из трёх кварков относится к барионам, а не к мезонам.

Ответ: протон — адрон, относящийся к классу барионов. Этот вывод основан на сильном взаимодействии и числе кварков в составе.

Задача 2. Найти электрический заряд нейтрона, если его состав — udd, а заряды u- и d-кварков равны +⅔e и −⅓e. Нужно сложить заряды всех кварков с учётом того, что d-кварк встречается дважды. Так мы проверим, почему нейтрон электрически нейтрален.

1. Запишем состав: один u-кварк и два d-кварка.
2. Подставим их заряды: Q = +⅔e − ⅓e − ⅓e.
3. Сложим дроби: Q = (2/3 − 1/3 − 1/3)e = 0.

Ответ: заряд нейтрона равен нулю. Два отрицательных заряда d-кварков вместе компенсируют положительный заряд u-кварка.

Задача 3. Частица состоит из кварка u и антикварка d. Определить её класс и электрический заряд. Здесь важно не только распознать пару кварк—антикварк, но и не перепутать знак заряда антикварка d̄.

1. Состав из одного кварка и одного антикварка соответствует определению мезона.
2. Заряд u-кварка равен +⅔e, а заряд антикварка d̄ противоположен заряду d-кварка и равен +⅓e.
3. Складываем: Q = +⅔e + ⅓e = +e.

Ответ: это мезон с зарядом +e. Его состав совпадает с кварковым составом положительного пи-мезона π⁺.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой адрон состоит из трёх кварков. Так обобщают состав бариона на весь класс адронов и забывают о мезонах. Проверьте себя: три кварка означают барион, а пара кварк—антикварк — мезон.

Ошибка — путать кварк с антикварком и считать, что у них одинаковы заряды. У соответствующих частиц электрические заряды и другие аддитивные квантовые числа противоположны. Перед вычислением выпишите состав с обозначением антикварка и отдельно укажите знак его заряда.

При вычислении заряда иногда забывают сложить дробные заряды всех кварков или неверно ставят знак антикварку. Причина — попытка сразу назвать заряд по известному примеру, не проверяя состав. Чтобы проверить результат, запишите вклад каждой составляющей и сложите их; заряд должен совпадать с полученным числом.

Неверно считать, что кварки можно выделить из адрона и наблюдать отдельно. Такое представление возникает, если воспринимать кварки как обычные независимые частицы. Помните, что сильное взаимодействие удерживает их в связанных системах; экспериментально наблюдают адроны, а не свободные кварки.

Связь с другими темами

Для понимания кварковой модели нужны представления об элементарных частицах, электрическом заряде и сильном взаимодействии. Заряд составной частицы можно находить по тому же правилу сложения величин, которое уже знакомо из других разделов физики. Классификация адронов понадобится при изучении превращений элементарных частиц и законов сохранения в реакциях. Она помогает анализировать состав участников реакции и проверять, какие процессы возможны.

Что запомнить

• Адроны участвуют в сильном взаимодействии.
• Барион состоит из трёх кварков, антибарион — из трёх антикварков.
• Мезон состоит из кварка и антикварка.
• Протон имеет состав uud, нейтрон — udd.
• Заряд адрона равен сумме зарядов его кварков и антикварков.
• Кварки не наблюдаются в свободном состоянии.