Барион

Октет лаких бариона са спином 1/2

Дијаграм протона, једног од најпознатијих бариона, који се састоји од два горња кварка и једног доњег кварка.

У физици елементарних честица, барион је тип композитне субатомске честице која садржи непаран број валентних кваркова (бар 3). Бариони припадају хадронској фамилији честица, које су честице базиране на кварковима. Бариони су фермиони на које делује јака сила, или другим речима хадрони полуцелобројног спина. То су мешовите честице сачињене од три кварка, за разлику од мезона, који се састоје од једног кварка и једног антикварка. Бариони и мезони су хадрони, честице сачињене само од кваркова и/или антикваркова. Назив барион, који је увео Абрахам Пајс, потиче од грчке речи за „тежак” (βαρύς, barýs), јер је у време њиховог именовања већина елементарних честица имала мање масе од бариона.

С обзиром да су бариони састављени од кваркова, на њих делује јака нуклеарна сила, која је посредована честицама познатим као глуони. За разлику од њих, лептони нису сачињени од кваркова, па на њих не делује јака нуклеарна сила. Најпознатији бариони су протони и неутрони који сачињавају највечи део видљиве материје у свемиру, док су електрони, још једна велика градивна јединица атома, лептони. Сваки барион има припадајућу античестицу, антибарион у коме су кваркови замењени антикварковима. Нпр. протон се састоји од два горња кварка и једног доњег кварка, а његова античестица, антипротон се састоји од два горња антикварка и једног доњег антикварка.

До пре пар година, веровало се да је експериментално доказано постојање пентакваркова – бариона сачињених од четири кварка и једног антикварка. Сви физичари нису веровали у могућност њиховог постојања до 2006. Дана 13. јула 2015, ЦЕРН је објавио резултате сагласне са постојањем пентакваркова током распада доњег Ламбда бариона ($\Lambda _{b}^{0}$).

Позадина

Бариони су фермиони који формирају јаке интеракције; то јест, на њих утичу јаке нуклеарне силе и описани су Ферми-Дираковом статистиком, која се односи на све честице које поштују Паулијев принцип искључења. Ово је у контрасту са бозонима, који не следе принцип искључења. Бариони, заједно са мезонима, су хадрони, честице састављене од кваркова. Кваркови имају барионски број B = 1/3 а антикваркови имају барионски број B = −1/3. Термин барион се обично односи на трикваркне—барионе који се састоје од три кварка (B = 1/3 + 1/3 + 1/3 = 1).

Други егзотични бариони су предложени, као што су пентакваркни—бариони сачињени од четири кварка и једног антикварка (B = 1/3 + 1/3 + 1/3 + 1/3 − 1/3 = 1), али њихово постојање није опште прихваћено. Физичари елементарних честица као целина нису сматратли да је њихово постојање могуће 2006. године, и током 2008. је преовладавало већинско противљење могућности постојања пентакваркова. Међутим, у јулу 2015, у једном ЛХЦб експерименту су уочене две резонанце које су конзистентне са пентакваркним стањима у Λ0
b → J/ψK−
p распаду, са комбинованим статистичким значајем од 15σ. Теоријски, хептакваркови (5 кваркова, 2 антикварка), нонакваркови (6 кваркова, 3 антикварка), етц. би исто тако могли да постоје.

Барионска материја

Скоро сва материја која се у свакодневном животу може сусрести или доживети је баријонска материја, која обухвата атоме било које врсте и даје им својство масе. Небарионска материја, као што произилази из назива, је свака врста материје која није сачињена пре свега од бариона. То може да обухвата неутрине и слободне електроне, тамну материју, суперсиметричне честице, аксионе и црне рупе.

Само постојање бариона такође је значајно питање у космологији, јер се претпоставља да је Велики прасак створио стање са једнаким количинама бариона и антибариона. Процес којим је бројност бариона надмашила своје античестице назива се бариогенеза.

Бариогенеза

Главни чланак: Бариогенеза

Експерименти су у складу са константним бројем кваркова у универзуму, и прецизније, број бариона је константан (ако се антиматерија рачуна као негативна); на техничком језику укупни број баријуна је конзервиран. У оквиру преовлађујућег Стандардног модела физике честица, број бариона се може мењати у умношцима од три због деловања сфалерона, мада је то ретко и није уочено током експеримента. Неке велике обједињене теорије физике честица такође предвиђају да се један протон може распасти, мењајући број бариона за један; међутим, то још није потврђено експерименталним путем. Сматра се да вишак бариона над антибарионима у садашњем свемиру настаје услед неочувања броја бариона у врло раном свемиру, мада то није добро изучено.

Својства

Изоспин и наелектрисање

Главни чланак: Изоспин

Комбинације од три у, д или с кварка формирају барионе са спинском-1/2 формом удс барионског декаплета

Комбинације од три у, д или с кварка формирају барионе са спинском-1/2 формом удс барионског октета

Концепт изоспина први је предложио Вернер Хајзенберг 1932. године како би објаснио сличности протона и неутрона под јаком интеракцијом. Иако су имали различита наелектрисања, њихове масе су биле толико сличне да су физичари веровали да су иста честица. Различити електрични набоји су били објашњени као резултат неког непознатог побуђења сличног спину. То непознато побуђење касније је 1937. године Јуџин Вигнер назвао изоспином.

Ово веровање се одржало све док Мари Гел-Ман није 1964. године предложио модел кваркова (који је оригинално садржао само кваркове у, д и с). Сада се разуме да је успех изоспиновог модела резултат сличних маса у и д кваркова. Како у и д кваркови имају сличне масе, честице изграђене од истог броја имају сличне масе. Тачан специфични састав у и д кваркова одређује набој, јер у кваркови носе набој +2/3 , док д кваркови носе набој –1/3. На пример, све четири делте имају различита наелектрисања (Δ++ (ууу), Δ+ (ууд), Δ0 (удд), Δ− (ддд))), али имају сличне масе (~ 1,232 МеВ/ц²), јер су формиране од комбинације три у или д кварка. Под изоспинским моделом сматрало се да су једна честица у различитим наелектрисаним стањима.

Математика изоспина моделована по узору на спин. Пројекције Исоспина варирале су у корацима од 1, баш као и код спина, а свакој је пројекцији придружено „стање наелектрисања”. Пошто је „делта честица” имала четири „наелектрисана стања”, узето је да има изоспин I = 3/2. Њена „наелектрисана стања” Δ++, Δ+, Δ0 и Δ−, одговарала су изоспинским пројекцијама I₃ = +3/2, I₃ = +1/2, I₃ = −1/2, и I₃ = −3/2, респективно. Други пример је „нуклеонска честица”. Како су постојала два нуклеонска „наелектисана стања”, узето је да имају изосин 1/2. Позитивни нуклеон Н+ (протон) је идентификован са I₃ = +1/2 и неутрални нуклеоном Н0 (неутрон) са I₃ = −1/2. Касније је уочено да су изоспинске пројекције повезане са горњим и доњим садржајем честица према према релацији:

$I_{\mathrm {3} }={\frac {1}{2}}[(n_{\mathrm {u} }-n_{\mathrm {\bar {u}} })-(n_{\mathrm {d} }-n_{\mathrm {\bar {d}} })],$

где су n вредности брог горњих и доњих кваркова и антикваркова.

У „изоспинској слици” се сматрало да су четири делте и два нуклеона различита стања две честице. Међутим, у моделу кваркова, делте су различита стања нуклеона (N⁺⁺ или N⁻ су забрањени Паулијевим принципом искључења). Иако преноси нетачну слику ствари, изоспин се и даље користи за класификацију бариона, што доводи до неприродне и често збуњујуће номенклатуре.

Литература

• C. Амслер ет ал. (Партицле Дата Гроуп) (2008). „Ревиеw оф Партицле Пхyсицс” (ПДФ). Пхyсицс Леттерс Б. 667 (1): 1—1340. Бибцоде:2008ПхЛБ..667....1А. дои:10.1016/ј.пхyслетб.2008.07.018. 
• Х. Гарцилазо; Ј. Вијанде & А. Валцарце (2007). „Фаддеев студy оф хеавy-барyон спецтросцопy”. Јоурнал оф Пхyсицс Г. 34 (5): 961—976. арXив:хеп-пх/0703257 . дои:10.1088/0954-3899/34/5/014. 
• К. Цартер (2006). „Тхе рисе анд фалл оф тхе пентаqуарк”. Фермилаб анд СЛАЦ. Архивирано из оригинала 04. 06. 2012. г. Приступљено 27. 5. 2008. 
• W.-M. Yао ет ал.(Партицле Дата Гроуп) (2006). „Ревиеw оф Партицле Пхyсицс”. Јоурнал оф Пхyсицс Г. 33 (1): 1—1232. Бибцоде:2006ЈПхГ...33....1Y. арXив:астро-пх/0601168 . дои:10.1088/0954-3899/33/1/001. 
• D.M. Манлеy (2005). „Статус оф барyон спецтросцопy”. Јоурнал оф Пхyсицс: Цонференце Сериес. 5 (1): 230—237. Бибцоде:2005ЈПхЦС...9..230М. дои:10.1088/1742-6596/9/1/043. 
• Х. Муир (2003). „Пентаqуарк дисцоверy цонфоундс сцептицс”. Неw Сциентист. Приступљено 27. 5. 2008. 
• С.С.M. Wонг (1998а). „Цхаптер 2—Нуцлеон Струцтуре”. Интродуцторy Нуцлеар Пхyсицс (2нд изд.). Неw Yорк (НY): Јохн Wилеy & Сонс. стр. 21—56. ИСБН 978-0-471-23973-4. 
• С.С.M. Wонг (1998б). „Цхаптер 3—Тхе Деутерон”. Интродуцторy Нуцлеар Пхyсицс (2нд изд.). Неw Yорк (НY): Јохн Wилеy & Сонс. стр. 57—104. ИСБН 978-0-471-23973-4. 
• Р. Сханкар (1994). Принциплес оф Qуантум Мецханицс (2нд изд.). Неw Yорк (НY): Пленум Пресс. ИСБН 978-0-306-44790-7. 
• Е. Wигнер (1937). „Он тхе Цонсеqуенцес оф тхе Сyмметрy оф тхе Нуцлеар Хамилтониан он тхе Спецтросцопy оф Нуцлеи”. Пхyсицал Ревиеw. 51 (2): 106—119. Бибцоде:1937ПхРв...51..106W. дои:10.1103/ПхyсРев.51.106. 
• M. Гелл-Манн (1964). „А Сцхематиц оф Барyонс анд Месонс”. Пхyсицс Леттерс. 8 (3): 214—215. Бибцоде:1964ПхЛ.....8..214Г. дои:10.1016/С0031-9163(64)92001-3. 
• W. Хеисенберг (1932). „Üбер ден Бау дер Атомкерне И”. Зеитсцхрифт фüр Пхyсик (на језику: немачки). 77 (1–2): 1—11. Бибцоде:1932ЗПхy...77....1Х. дои:10.1007/БФ01342433. 
• W. Хеисенберг (1932). „Üбер ден Бау дер Атомкерне ИИ”. Зеитсцхрифт фüр Пхyсик (на језику: немачки). 78 (3–4): 156—164. Бибцоде:1932ЗПхy...78..156Х. дои:10.1007/БФ01337585. 
• W. Хеисенберг (1932). „Üбер ден Бау дер Атомкерне ИИИ”. Зеитсцхрифт фüр Пхyсик (на језику: немачки). 80 (9–10): 587—596. Бибцоде:1933ЗПхy...80..587Х. дои:10.1007/БФ01335696. 
• А. D. Долгов (1997). „Барyогенесис, 30 Yеарс Афтер”. Сурвеyс ин Хигх Енергy Пхyсицс. 13 (1–3): 83—117. Бибцоде:1998СХЕП...13...83Д. арXив:хеп-пх/9707419 . дои:10.1080/01422419808240874. 
• А. Риотто (1998). „Тхеориес оф Барyогенесис”. Хигх Енергy Пхyсицс анд Цосмологy: 326. Бибцоде:1999хепц.цонф..326Р. арXив:хеп-пх/9807454 . 
• M. Тродден (1999). „Елецтроwеак Барyогенесис”. Ревиеwс оф Модерн Пхyсицс. 71 (5): 1463—1500. Бибцоде:1999РвМП...71.1463Т. арXив:хеп-пх/9803479 . дои:10.1103/РевМодПхyс.71.1463. 
• Греинер, W.; Мüллер, Б. (1994). Qуантум Мецханицс: Сyмметриес (2нд изд.). Спрингер. стр. 279. ИСБН 978-3540580805. 
• Итзyксон, C.; Зубер, Ј.-Б. (1980). Qуантум Фиелд Тхеорy. МцГраw-Хилл. ИСБН 978-0-07-032071-0. 
• Гриффитхс, D. (1987). Интродуцтион то Елементарy Партицлес. Јохн Wилеy & Сонс. ИСБН 978-0-471-60386-3. 

Спољашње везе

• Particle Data Group—Review of Particle Physics (2018).
• Georgia State University—HyperPhysics
• Baryons made thinkable, an interactive visualisation allowing physical properties to be compared