Modelo de quarks

Modelo de quarks:  en física de partículas elementales, el esquema de clasificación de los hadrones desde el punto de vista de sus quarks de valencia  : quarks y antiquarks , que generan los números cuánticos de los hadrones.

Descripción

De acuerdo con este modelo, todas las partículas que interactúan fuertemente ( mesones , bariones , partículas resonantes ) consisten en "subpartículas" especiales con cargas eléctricas fraccionarias: tres tipos de quarks , así como las correspondientes antipartículas ( antiquarks ).

El modelo de quark describe los hadrones conocidos como compuestos de quarks libres (de valencia) y/o antiquarks estrechamente unidos por la fuerza fuerte transportada por los gluones . Cada hadrón también contiene un "mar" de pares virtuales de quarks y antiquarks.

El modelo de quark predijo que durante la aniquilación de un electrón y un positrón de alta energía , no nacerían los hadrones en sí mismos, sino los primeros pares quark-antiquark, que luego se convertirían en hadrones. El resultado de calcular el curso de tal proceso dependía directamente de la carga de los quarks producidos. El experimento confirmó plenamente estas predicciones [1] .

R. Peierls refiere el modelo de quarks de partículas elementales después de su aparición a modelos fenomenológicos, el segundo tipo de modelos matemáticos [2] . Después de eso, el modelo de quarks pasó gradualmente a la categoría de hipótesis.

El modelo de quarks desde el punto de vista de la interacción de los quarks entre sí con la ayuda de gluones explica bien la división de masas entre los miembros del decuplet [3] .

El modelo de quarks explica bien la división de masas entre [4] .

El modelo de quark predice para la relación de los momentos magnéticos del protón y el neutrón un valor que está en buena concordancia con el valor experimental de −1,47. Para la relación de los momentos magnéticos de un hiperón y un protón, la teoría de los quarks predice el valor , que también concuerda con el valor experimental −0,29 ± 0,05 [5] .

Históricamente , el número de bariones se determinó mucho antes de que se estableciera el modelo de quarks actual.

Está claro a partir del modelo de quarks que los kaones forman dos dobletes de isospín ; es decir, pertenecen a la representación fundamental del grupo SU(2) , llamado 2 . Un doblete con extrañeza +1 e isospin +1/2 contiene K + y K 0 . Las antipartículas forman un segundo doblete con extrañeza −1 e isospín −1/2.

Para describir las propiedades internas de los hadrones, se requieren enfoques no perturbativos. Entre ellos se encuentran varios modelos de quarks locales y no locales basados ​​tanto en la fenomenología como en la cromodinámica cuántica. Este modelo, modelo del tipo Nambu-Jona-Lasinio (en el que se excluyen los gluones), ha sido desarrollado y ha permitido describir las propiedades de los mesones escalares, pseudoescalares y vectoriales, incluidos sus estados fundamentales, así como el primer excitaciones radiales. Sobre esta base, se predijeron las masas de los mesones escalares, las masas de las primeras excitaciones radiales de los mesones pseudoescalares y vectoriales. [6]

Evgeny Levin y Leonid Frankfurt desarrollaron la idea [7] del modelo de quark constituyente para hadrones . Este modelo ha sido confirmado experimentalmente con éxito.

Después del descubrimiento experimental de la escala de Bjorken , la confirmación del modelo de quarks y la libertad asintótica en la cromodinámica cuántica , los partones se identificaron con los quarks y gluones que forman los hadrones.

Los modelos de mesones que no son quarks incluyen mesones exóticos , que tienen un conjunto de números cuánticos imposibles dentro del modelo de quarks. Por lo general, cada mesón dentro del modelo de quark aparece como un noneto aromático SU(3) ,  un octeto y un singlete aromático. Resulta que la bola de pegamento es una partícula adicional fuera de la nada. A pesar de la aparente simplicidad del cálculo, la definición de cualquier estado resultante como bola de pegamento, tetraquark o mesón híbrido sigue siendo poco clara y especulativa incluso hoy en día. Incluso cuando hay acuerdo en que uno de varios estados es uno de estos mesones fuera del modelo de quarks, el grado de mezcla y la clasificación precisa están sujetos a incertidumbres. También se está realizando un trabajo experimental considerable para determinar los números cuánticos de cada estado y verificar la precisión de los resultados. Como resultado, todas las definiciones fuera del modelo de quarks son inciertas y especulativas. La situación a fines de 2004 se analiza con más detalle a continuación .

Candidato a la clasificación como bola de pegamento

f 0 (1370) y f 0 (1500) no pueden ser mesones en el marco del modelo de quarks, ya que uno de ellos es una partícula adicional al mesón noneto. No se observa la creación de un estado con una masa mayor en reacciones de 2 fotones , como reacciones 2γ → 2π o 2γ → 2K . Los decaimientos también dan alguna razón para creer que uno de ellos es una bola de pegamento.

Historia

Shoichi Sakata propuso el modelo Sakata , que es anterior al modelo de quarks.

El modelo de quarks fue propuesto de forma independiente por los físicos M. Gell-Mann [8] y J. Zweig [9] [10] (ver también [11] ) en 1964. La inclusión de la existencia de d-quarks se predijo por primera vez en 1964  , cuando Gell-Mann y Zweig desarrollaron el modelo de quarks.

En el modelo de quarks, la partícula Δ ++ (1232) está compuesta por tres u -quarks con espines orientados en la misma dirección, y el momento angular orbital de su movimiento relativo es cero. Los tres quarks en este caso deben estar en el mismo estado cuántico , y dado que el quark es un fermión , tal combinación está prohibida por el principio de exclusión de Pauli [12] . En 1965, N. N. Bogolyubov , B. V. Struminsky y A. N. Tavkhelidze [13] , y también Han Mo Young junto con Yoichiro Nambu [14] y O. Grinberg ) resolvieron este problema de forma independiente asumiendo que el quark tiene grados de libertad adicionales del grupo de calibre SU (3) , más tarde llamado "cargas de color". La necesidad de asignar un número adicional a los quarks fue señalada por BV Struminsky en una preimpresión fechada el 7 de enero de 1965 [15] [16] . Los resultados del trabajo de N. N. Bogolyubov, B. Struminsky y A. N. Tavkhelidze se presentaron en mayo de 1965 en una conferencia internacional sobre física teórica en Trieste [17] . Yoichiro Nambu presentó sus resultados en el otoño de 1965 en una conferencia en los EE . UU . [18] [19] . Khan y Nambu observaron que el quark interactúa a través de un octeto de bosones de medida vectoriales , llamados gluones .  

Los quarks pronto fueron reconocidos como los objetos elementales fundamentales que forman los hadrones. La teoría moderna de la interacción de los quarks se denomina cromodinámica cuántica (QCD) y se basa en el trabajo de M. Gell-Man. El modelo de quarks es parte de QCD y ha demostrado ser lo suficientemente fuerte como para sobrevivir al descubrimiento de los sabores de quarks .

El término sabor apareció por primera vez en el modelo quark de hadrones en 1970.

El modelo de quarks fue reconocido por la comunidad física en 1976 [20] .

Modelo de tres quarks

Modelo de quark estándar (también llamado modelo de quark ingenuo y modelo de quark de Gell-Mann-Zweig [21] ): este modelo asume que un barión consta de tres llamados quarks de valencia y un "mar" de pares virtuales de quark-antiquark y gluones virtuales . No se consideran los pentaquarks . Los hadrones que no encajan en el marco de este modelo se denominan exóticos [22] .

Estados fuera del modelo de quarks

Aunque el modelo de quarks se deriva de la teoría de la cromodinámica cuántica , la estructura de los hadrones es más compleja de lo que permite este modelo. La mecánica cuántica completa de la función de onda de cualquier hadrón debe incluir pares virtuales de quarks así como gluones virtuales , y permite muchas mezclas. Puede haber hadrones que se encuentren fuera del modelo de quarks. Entre estos se encuentran glunias (que contienen solo gluones de valencia ), "híbridos" (que contienen quarks de valencia además de gluones) y " hadrones exóticos " (como tetraquarks o pentaquarks ).

Notas

  1. ↑ Introducción a los quarks y partones, 1982 , p. 246.
  2. ↑ Peierls R. Creación de modelos en física. — Contemp. Phys., enero/febrero de 1980, v. 21, págs. 3-17; Traducción: R. Peierls , Construcción de modelos físicos, UFN, 1983, N° 6.
  3. ↑ Introducción a los quarks y partones, 1982 , p. 369.
  4. ↑ Introducción a los quarks y partones, 1982 , p. 379.
  5. ↑ Teoría de los quarks, 1971 , p. 116.
  6. ↑ Hadrones, mesones encantados y la búsqueda de plasma de quarks y gluones . viejo.elementy.ru _ Consultado: 27 de diciembre de 2017.
  7. ↑ "La hipótesis de Quark y las relaciones entre las secciones transversales a altas energías". . stanford.edu . Recuperado: 27 de diciembre de 2017.  (enlace no disponible)
  8. ↑ M. Gell-Mann. Un modelo esquemático de bariones y mesones   // Physics Letters  : diario. - 1964. - Vol. 8 , núm. 3 . - pág. 214-215 . - doi : 10.1016/S0031-9163(64)92001-3 . - .
  9. ↑ G.Zweig. Un modelo SU (3) para simetría de interacción fuerte y su ruptura //  Informe CERN No.8182/TH.401: diario. — 1964.  
  10. ↑ G.Zweig. Un modelo SU (3) para la simetría de interacción fuerte y su ruptura: II //  Informe CERN No.8419 / TH.412: revista. — 1964.  
  11. ↑ Petermann, A. Propriétés de l'étrangeté et une formule de masse pour les mésons vectoriels  (francés)  // Física nuclear: revista. - 1965. - Vol. 63 , n º 2 . — Pág. 349 . - doi : 10.1016/0029-5582(65)90348-2 . — . que tocaba con cautela las ideas centrales, sin fundamentación cuantitativa; [1] Archivado el 16 de octubre de 2017 en Wayback Machine .
  12. ↑ Modelo de quarks de hadrones . nuclphys.sinp.msu.ru . Consultado el 27 de diciembre de 2017. Archivado desde el original el 2 de febrero de 2020.
  13. ↑ N. Bogolubov, B. Struminsky, A. Tavkhelidze. Preimpresión JINR D-1968, Dubna 1965.
  14. ↑ MY Han y Y. Nambu, Phys. Rvdo. 139, B1006 (1965).
  15. ↑ B. V. Struminsky , Momentos magnéticos de bariones en el modelo de quarks. JINR-Preimpresión P-1939, 1965.
  16. ↑ F. Tkachov, Una contribución a la historia de los quarks: publicación JINR de 1965 de Boris Struminsky Archivado el 6 de octubre de 2016 en Wayback Machine .
  17. ↑ A. Tavkhelidze. proc. Seminar on High Energy Physics and Elementary Particles, Trieste, 1965, Viena IAEA, 1965, p. 763.
  18. ↑ Sobre la cuestión del descubrimiento del número cuántico "COLOR" Copia de archivo fechada el 4 de marzo de 2016 en Wayback Machine en el sitio web de INR RAS.
  19. ↑ INR RAS - página del académico A.N. Tavkhelidze . www.inr.ru_ _ Consultado el 27 de diciembre de 2017. Archivado desde el original el 29 de noviembre de 2017.
  20. ↑ Quarks: medio siglo . viejo.elementy.ru _ Consultado el 27 de diciembre de 2017. Archivado desde el original el 30 de noviembre de 2018.
  21. ↑ Pentaquarks . viejo.elementy.ru _ Consultado: 27 de diciembre de 2017.
  22. ↑ Clasificación de hadrones . viejo.elementy.ru _ Consultado el 27 de diciembre de 2017. Archivado desde el original el 29 de noviembre de 2018.

Literatura

Enlaces