Классификация адронов

Вводные слова

Адронами называют частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Все адроны — составные частицы, они состоят из кварков или антикварков. Мезоны — это адроны, состоящие из кварк-антикварковой пары, барионы — это адроны, состоящие из трех кварков (соответственно, антибарионы состоят их трех антикварков).

И уже в этом определении, таком простом и коротком, скрыто несколько тонкостей, про которые можно говорить очень долго. Мы пускаться в эти разговоры не будем, а упомянем только три самых важных момента.

Составные кипричики

Обычно, когда говорят, что какой-то предмет состоит из частей, то предполагают, что эти части можно, по крайней мере в принципе, отделить друг от друга и предъявить каждую из них по отдельности. Для кварков это предположение не работает. Да, это не очень интуитивное свойство, его трудно совместить с повседневным опытом, но дела в кварковом мире обстоят именно так.

Физики видят в многочисленных экспериментах, что протоны, нейтроны и другие адроны действительно состоят из отдельных «комочков материи», которые, хоть и движутся друг относительно друга, но навеки скреплены глюонными силами. Разделить протон на отдельные кварки, отделить один кварк от других не получится. Как только вы попытаетесь это сделать, приложите достаточную силу для вытягивания одного кварка из протона, так сразу же глюонное поле породит новую кварк-антикварковую пару. Вместо вытягивания кварка вы извлечете из протона мезон, а протон так и останется протоном (рис. 1). Этот процесс называется адронизация — «превращение в адроны».

Рис. 1. Поэтапная иллюстрация процесса адронизации. Рис. с сайта www.nature.com

Такое поведение кварков называют конфайнментом — «пленением» кварков внутри адронов. Получается так вовсе не из-за самих кварков, а из-за сил, которые между ними действуют. Связывающее их силовое поле не просто сильное, оно очень особенное, непохожее на электромагнитные силы. Это силовое поле способно чувствовать само себя, способно взаимодействовать с собой и от этого усиливаться. В результате получается, что если этому силовому полю предоставить всё пространство, то его энергия будет неограниченно возрастать. Это очень невыгодно с точки зрения энергии; гораздо выгоднее для этого поля будет породить много кварк-антикварковых пар, которые замкнут на себя это поле. И вот тогда оно будет спрятано в отдельных кварковых или антикварковых комбинациях, а на всё пространство распространяться не будет.

На жаргоне физиков то свойство, которое позволяет кваркам чувствовать глюонное поле, называется цвет (он, конечно, не имеет никакого отношение к оптическим цветам, это просто приятное название для новой величины). Цветов у кварков три, и еще три противоположных цвета у антикварков. А адронами являются не произвольные, а именно такие комбинации, в которых все цвета «сокращаются», или, как говорят физики, бесцветные комбинации (то есть три кварка с тремя разными цветами или кварк и антикварк с противоположным цветом).

Конечно, это всё — очень упрощенное описание; реальное положение дел гораздо сложнее. Более того, явление конфайнмента до сих пор не понято на достаточном уровне математической строгости. Математический институт Клэя даже назначил премию в миллион долларов за решение этой задачи. Однако на описательном уровне явление конфайнмента считается установленным.

Наивная кварковая модель

Описанная выше схема, по которой кварки группируются по двое и по трое и становятся бесцветными адронами, называется наивной кварковой моделью. Эта модель не объясняет, почему все адроны объединяются только по двое и по трое. Можно построить и другие бесцветные комбинации кварков и антикварков, создать многокварковые адроны, но они почему-то на опыте не встречаются.

А точнее, они не встречались до недавнего момента. Начиная с середины 2000-х годов стали появляться надежные экспериментальные данные, что некоторые адроны не вписываются в простую схему наивной кварковой модели. Такие адроны называются экзотическими. Правда, количество известных на сегодня экзотических адронов очень невелико, всего несколько штук против нескольких сотен обычных адронов — и причем все они мезоны; подтвержденных данных по пентакваркам и другим экзотическим барионам пока нет.

Получается, что природа всё же выходит за рамки простейшей схемы, но очень уж неохотно. Почему так происходит и что вообще представляют из себя экзотические адроны, пока что остается предметом активных исследований.

Состав — понятие относительное!

Даже в слове «состоит» скрыто немало тонкостей. Дело в том, что утверждение «протон состоит из трех кварков» хорошо работает только для неподвижного или медленно движущегося протона. Если же протон летит со скоростью, близкой к скорости света, то его состав кардинально меняется: в нем словно «нарождаются» многочисленные кварки, антикварки и глюоны (они совокупно называются партоны), которые летят вперед одним компактным облаком и, собственно, представляют собой протон. В столкновении таких быстролетящих протонов реально сталкивается не вся толпа этих отдельных частиц, а лишь по одному партону (изредка — больше); см. рис. 2.

Рис. 2. Протон, движущийся с околосветовой скоростью, представляет из себя облако партонов: кварков, антикварков и глюонов. Когда происходит столкновение двух таких протонов, реально сталкивается лишь пара партонов. Изображение с сайта kjende.web.cern.ch

Получается, что состав протона — вещь не абсолютная, а зависит от системы отсчета, то есть от того, как мы на протон посмотрим. Это явление квантового мира тоже может показаться противоречащим повседневной интуиции, но что ж поделать, именно так и получается в квантовом мире. Подробнее об этом свойстве читайте в статье Многоликий протон и в заметке Как выглядит ультрарелятивистский протон.

Кварки и их свойства

Сейчас известно шесть сортов (на физическом жаргоне — ароматов) кварков. Они обозначаются буквами u, d, s, c, b, t и попарно объединяются в три поколения кварков (рис. 3). Из них только первые пять участвуют в образовании адронов. Топ-кварк t настолько тяжел, что распадается исключительно быстро и попросту не успевает образовать адроны. Известно также, что других кварков не существует; по крайней мере, не существует других легких кварков, которые могли бы образовывать настоящие адроны.

Рис. 3. Шесть кварков и их свойства. Изображение с сайта en.wikipedia.org

Пройдемся кратко по всем пяти «адронообразующим» кваркам.

Легкие кварки u (up, верхний) и d (down, нижний). Легкие кварки — самые распространенные в природе. Именно из них состоят протоны (uud), нейтроны (udd), переносчики ядерных сил, пи-мезоны. Обычно пишут, что массы u- и d-кварков составляют несколько МэВ, но это число для адронной физики почти бесполезно. Дело в том, что массы адронов получаются не только из масс кварков, но еще и из-за конфайнмента, который дает вклад в общую массу адрона от 100 до нескольких сотен МэВ.
Странный кварк s. Название «странный» возникло исторически, когда содержащие его частицы (странные адроны) только-только стали появляться в экспериментальных данных и вели себя «как-то не так» по сравнению с известными адронами. Странные адроны уже давно не считаются чем-то необычным, это вполне «рутинные» частицы в современных экспериментах.
Очарованный кварк c. Такое симпатичное название — просто причуда физического жаргона, отчасти скрашивающая сухие тексты по адронной физике. Содержащие этот кварк частицы (очарованные адроны) тяжелее своих легких собратьев (к их массе добавляется примерно 1,5 ГэВ на каждый c-кварк) и живут недолго, порядка одной пикосекунды (в системе покоя частицы). Тем не менее это позволяет им отлететь от точки рождения на расстояния порядка миллиметра, что надежно регистрируется детекторами. Такое разделение событий рождения и распада позволяет хорошо идентифицировать такие адроны.
Прелестный кварк b еще тяжелее, его масса около 5 ГэВ, однако время жизни его даже больше, чем у c-кварка, — около 1,5 пс. Из-за того что масса b-кварка намного больше адронного масштаба масс (несколько сотен МэВ), становится очень удобно описывать прелестные адроны как связанную систему тяжелого и легкого кварка; многие успехи в теоретическом описании прелестных адронов связаны именно с этим простым фактом.

Общепринятые обозначения

Адроны могут содержать любые комбинации этих пяти кварков, которые, к тому же, могут еще и по-разному двигаться друг вокруг друга наподобие того, как электроны могут по-разному двигаться вокруг ядра. Поэтому даже из небольшого числа кварков можно, в принципе, составить неограниченное количество адронов. Конечно, как открыть их эксприментально — это отдельный вопрос.

Мезоны и барионы с разным кварковым составом обозначаются разными прописными буквами; при этом мезоны обычно обозначаются латинскими буквами (K-мезоны, D-мезоны, B-мезоны), а барионы — греческими (Λ, Σ, Ξ, Ω). Исключение составляют исторически сложившиеся названия: π-мезоны, ρ-мезоны, p, n и т. п. Внутри одного семейства частицы обозначаются одинаковой буквой, но к ней либо приписываются индексы, либо в скобках добавляется масса. Например, «обычный» B-мезон c кварковым составом (d-анти-b) так и обозначается: B, но мезон с составом s-анти-b обозначается B_s и называется странным прелестным мезоном. Обычный Λ-барион с кварковым составом uds обозначается просто Λ, а возбужденное состояние тех же кварков с общей массой 1519,5 МэВ обозначается Λ(1520).

Особый класс составляют мезоны с кварком и антикварком одинакового аромата, в особенности c-анти-c и b-анти-b. Такие состояния называются кваркониями (и конкретно — «чармонием» в случае c-анти-c и «боттомонием» в случае b-анти-b), по аналогии с позитронием, который состоит из электрона и его античастицы, позитрона. В семействе кваркониев есть много состояний со слегка отличающимися массами, которые могут переходить друг в друга с излучением фотонов, по аналогии с переходами электронов между уровнями энергии в возбужденных атомах.

Диаграммы

Свойства кварков позволяют удобно распределять семейства адронов в узлах тетраэдральной решетки. На рис. 4 даны схемы этих решеток для барионов со спином 1/2 или 3/2, составленных их первых четырех кварков. Каждое пространственное направление здесь отвечает какому-то аромату кварков: двигаясь слева направо, вы добавляете u-кварки, двигаясь от заднего фона рисунка к переднему — странные кварки, двигаясь вверх — очарованные кварки. По такому же принципу можно добавлять и прелестные кварки, но только тетраэдр при этом получится уже четырехмерный.

Рис. 4. Схема барионов со спином 1/2 (слева) или 3/2 (справа), составленных их первых четырех кварков. Quark model (PDF, 828 Кб)

Аналогичная диаграмма для мезонов, состоящих из первых четырех кварков, приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема мезонов со спином 0 (слева) и 1 (справа), составленных из первых четырех кварков. Изображение из обзора Quark model (PDF, 828 Кб)

На сайте things made thinkable та же тетраэдральная структура, уже с учетом прелестного кварка, приведена в виде плоских интерактивных схем (рис. 6): схема мезонов и схема барионов. При наведении мышкой на разные свойства адронов схема заполняется соответствующими числами, как на уровне самих адронов, так и для отдельных кварков.

Рис. 6. Фрагмент интерактивной схемы адронов с участием всех пяти кварков с сайта Things made thinkable

Что касается кваркониев, то их кварковая структура понятна, но зато состояний тут может быть очень много, и интерес представляет то, как эти состояния расположены относительно друг друга по массе. На рис. 7 приведены массовые спектры чармония и боттомония.

Рис. 7. Массы и характеристики разных адронов в системе чармония (c-анти-c) (вверху) и боттомония (b-анти-b) (внизу). Стрелки указывают распады различного типа, отвечающие переходам между этими состояниями. Изображения с сайтов cerncourier.com и physics.aps.org

Дополнительные ссылки:

А. И. Ахиехер, Ю. П. Степановский. От квантов света до цветных кварков // Киев, Наукова думка, 1993.
А. В. Сопов. Кварковая модель адронов.
Б. В. Мартемьянов. Девять лекций по кварковой структуре адронов.
J.-M. Richard. An introduction to the quark model // е-принт arXiv:1205.4326 [hep-ph].
Quark model, подробный обзор с сайта Particle Data Group.
S. Godfrey, S. L. Olsen. The Exotic XYZ Charmonium-like Mesons // е-принт arXiv:0801.3867 [hep-ph].