Элементарные частицы барионы (стр. 1 из 3)
Министерство образования саратовской оласти
СГУ им Н.Г Чернышевского
Доклад
на тему:
Барионы
Выполнил студент
4-го курса 431 гр
Азимов А.В.
Саратов 2010
Содержание
Введение
1. Классификация барионов
2. Свойства барионов
3. Протон и нейтрон
Список литературы
Введение
Барионы (от греч. barys — тяжёлый), группа тяжёлых элементарных частиц с полуцелым спином, состоящие из трёх кварков (предполагается, но не доказано существование барионов из 5 и большего числа кварков) и массой не меньше массы протона. Барионы вместе с мезонами (последние состоят из двух кварков) составляют группу элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и называемых адронами.
Адроны также характеризуются квантовыми числами s (странность), c (очарование), b (красота), t (истина), изоспином I и его третьей проекцией I3.
К основным барионам относятся (по мере возрастания массы): протон, нейтрон, ламбда-гиперон, сигма-гиперон, кси-гиперон, омега-гиперон. Масса омега-гиперона (3278 масс электрона), почти в 1,8 раз больше массы протона.
1. Классификация барионов
Наиболее стабильными барионами являются протон и нейтрон (вместе они составляют группу нуклонов). Первый из них, насколько это сегодня известно, абсолютно стабилен, второй испытывает бета-распад с временем жизни, близким к 1000 с. Более тяжёлые барионы распадаются за время от 10−23 до 10−10 с.
Нуклоны имеют кварковый состав uud (протон) и udd (нейтрон). Их спин равен 1/2, странность нулевая. Масса близка к 940 МэВ. Вместе со своими короткоживущими возбуждёнными состояниями нуклоны относятся к группе N-барионов.
Барионы, содержащие как минимум один странный кварк (но не содержащие более тяжелых кварков), называются гиперонами.
В семействе барионов, кроме нуклонов, выделяют группы Δ-, Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-барионов.
Конец 40-х — начало 50-х гг. ознаменовались открытием большой группы частиц с необычными свойствами, получивших название «странных».Первые частицы этой группы К+- и К--мезоны, Λ-, Σ -, X- -гипероны были открыты в космических лучах, последующие открытия странных частиц были сделаны на ускорителях — установках, создающих интенсивные потоки быстрых протонов и электронов. При столкновении с веществом ускоренные протоны и электроны рождают новые Э. ч., которые и становятся предметом изучения.
Λ-Гипероны были открыты в космических лучах английскими физиками Рочестером и Батлером в 1947, однако убедительные доказательства существования Гиперонов были получены к 1951. Детальное и систематическое изучение Гиперонов стало возможным после того, как их начали получать на ускорителях заряженных частиц высокой энергии при столкновениях быстрых нуклонов, p-мезонов и К-мезонов с нуклонами атомных ядер. Открытие Гиперонов существенно расширило физические представления об элементарных частицах, поскольку были впервые открыты частицы с массой, большей нуклонной, и установлена новая важнейшая характеристика элементарных частиц — странность. Введение странности понадобилось для объяснения ряда парадоксальных (с точки зрения существовавших представлений) свойств Гиперонов Интенсивное рождение Гиперона при столкновении адронов высокой энергии с несомненностью свидетельствовало о том, что они обладают сильным взаимодействием. С другой стороны, если бы распад Гиперонов вызывался сильным взаимодействием, их время жизни должно было бы составлять по порядку величины 10-23 сек, что в 1013 раз (на 13 порядков) меньше установленного на опыте. Время жизни Гиперонов можно объяснить, если считать, что их распад происходит за счёт слабого взаимодействия, относительная интенсивность которого в этой области энергий как раз на 12—14 порядков меньше сильного (а, следовательно, время распада во столько же раз больше). Парадоксом казалось то, что частицы, обладающие сильным взаимодействием, не могут распадаться с помощью этого взаимодействия.
Согласно современной теории элементарных частиц, каждому Гиперону должна соответствовать античастица, отличающаяся от своего Гиперона знаком электрического и барионного зарядов и странности. Все антигипероны наблюдались на опыте; последним был открыт (1971) антиомега-Гиперон
.· Δ-барионы (Δ++, Δ+, Δ0, Δ−), как и нуклоны, состоят из u- и d-кварков, но, в отличие от нуклонов, их спин равен 3/2. Распадаются они главным образом на нуклон и пион. Время жизни Δ-барионов близко к 10−23 с.
· Λ-барионы (Λ0) — нейтральные (но не истинно нейтральные) частицы со спином 1/2 и странностью −1 (то есть их можно называть Λ-гиперонами), состоящие из u-, d- и s-кварка. В них u- и d-кварки находятся в синглетном по изоспину состоянии (I=0). Масса 1117 МэВ. Распадаются преимущественно на протон и отрицательный пион или на нейтрон и нейтральный пион с временем жизни 2,6×10−10 с. Открыты также тяжёлые Λ-барионы (Λ+c и Λ0b), в которых странный кварк заменён очарованным (c-кварком) или красивым (b-кварком).
· Σ-барионы (Σ+, Σ0, Σ−) имеют спин 1/2, странность −1. Как и Λ-барион, состоят из u-, d- и s-кварка, но триплетны по изоспину (I=1). Нейтральный Σ0-барион имеет тот же кварковый состав, что и Λ0-барион (uds), но тяжелее, в связи с этим он очень быстро распадается в Λ0 с вылетом фотона (время жизни составляет лишь 6×10−20 с, поскольку распад происходит за счёт электромагнитного взаимодействия). Σ+ (uus) и Σ− (dds) распадаются за примерно 10−10 с на пион и нуклон. Следует отметить, что Σ+ и Σ− не являются частицей и античастицей — это самостоятельные частицы, каждая из них (как, кстати, и Σ0) имеет свою античастицу. Массы Σ-гиперонов составляют около 1200 МэВ. Обнаружены также тяжёлые Σ-барионы, не являющиеся гиперонами (то есть содержащие вместо s-кварка более тяжёлый кварк).
· Ξ-барионы (Ξ0 и Ξ−) имеют спин 1/2, странность −2. Они содержат по два странных кварка; кварковый состав uss (Ξ0) и dss (Ξ−). Их масса близка к 1,3 ГэВ. Распадаются (с временем жизни около 10−10 с) на пион и Λ0-гиперон. Существуют тяжёлые Ξ-барионы, не являющиеся гиперонами (один из странных кварков заменен c- или b-кварком).
· Ω-барионы (существует лишь один тип этих частиц, Ω−-гиперон) имеют спин 3/2 и странность −3, состоят из 3 странных кварков (sss). Масса частицы 1,672 ГэВ. Преимущественные моды распада — на Λ0-гиперон и отрицательный каон или на Ξ0 и отрицательный пион (время жизни около 10−10 с). Открыты некоторые тяжёлые Ω-барионы, отличающиеся заменой одного из s-кварков на тяжёлый кварк.
Декуплет барионов со спином 3/2
Октет барионов со спином 1/2
Существует также широкий спектр короткоживущих возбуждённых состояний этих барионов.
Большинство лёгких барионов в основном состоянии распадаются за счёт слабого взаимодействия, поэтому их время жизни относительно велико (исключение составляет, как было отмечено выше, Σ0-гиперон).Лёгкие барионы (гипероны, Δ-барионы и нуклоны) в зависимости от спина входят в состав одного из двух мультиплетов: декуплета со спином 3/2 (Δ-барионы, Ω-гипероны и возбуждённые состояния Σ- и Ξ-гиперонов) и октета со спином 1/2 (нуклоны, Σ-, Λ- и Ξ-гипероны).
Таблица
Барионы (B = 1, L = 0)
| Частица | Кварковый состав | Масса,mc2(МэВ) | Время жизни (сек) или ширина (МэВ) | Спин-четность, изоспинJP(I) | Основные моды распада |
| p | uud | 938.27 | >1031 лет | 1/2+(1/2) | |
| n | ddu | 939.57 | 887+2 | 1/2+(1/2) | pe  |
 | uds | 1116 | 2.6·10-10 | 1/2+(0) | pπ-, nπ0 |
 + | uus | 1189 | 0.80·10-10 | 1/2+(1) | pπ0, nπ+ |
| 0 | uds | 1193 | 7.4·10-20 | 1/2+(1) | Λγ |
| - | dds | 1197 | 1.5·10-10 | 1/2+(1) | nπ- |
 0 | uss | 1315 | 2.9·10-10 | 1/2+(1/2) | Λπ0 |
| - | dss | 1321 | 1.6·10-10 | 1/2+(1/2) | Λπ- |
 - | sss | 1672 | 0.82·10-10 | 3/2+(0) | ΛK-, Ξ0π- |
 |  | 1230-1234 | 115-125 | 3/2+(3/2) | (n или p) + π |
2. Свойства барионов