Hadrony
Hadrony – grupa silnie oddziałujących cząstek elementarnych złożonych z kwarków[1] bądź gluonów. Wyróżnia się stany złożone z samych kwarków (mezony, bariony, tetrakwarki, pentakwarki itd.), samych gluonów (kule gluonowe) oraz kwarków i gluonów (hybrydy mezonowe, hybrydy barionowe itd.). Pierwszymi odkrytymi hadronami były bariony (trzy kwarki albo trzy antykwarki) i mezony (jeden kwark i jeden antykwark). Właściwością hadronów jest ich liczba barionowa oraz całkowity ładunek elektryczny, choć budujące je kwarki i antykwarki mają ładunki ułamkowe. Hadrony, będące stanami związanymi, same mogą tworzyć stany związane - są to jądro atomowe, hiperjądro, atom hadronowy (jądro atomowe z orbitującym wokół nim hadronem), molekuła hadronowa (np. pionium)[2][3] czy gwiazda neutronowa. Możliwe, że grupa kilku neutronów czy neutronów i hiperonów również jest zdolna do utworzenia stanu związanego[4][5].
Budowa hadronu
Kwarki mają kolor i zapach (są to nazwy nadane umownie pewnym liczbom kwantowym). Trzy kolory (czerwony, niebieski i zielony) są analogami ładunku elektrycznego. Wymiana wirtualnych gluonów (z gr. gluo – klej) między kolorowymi (nie-wirtualnymi) kwarkami i gluonami jest przyczyną ich wiązania się w hadrony. Oddziaływanie to opisuje chromodynamika kwantowa.
Kwarki różnią się zapachem; istnieje sześć kwarków: dolny (d, down), górny (u, up), dziwny (s – strange), powabny (c – charm), niski (b – bottom) i wysoki (t – top) o ładunkach elektrycznych, odpowiednio parami: −1/3 e i +2/3 e. Gluonów jest osiem, w chromodynamice są analogami fotonu. W przeciwieństwie do fotonów, które nie mają ładunku elektrycznego, gluony mają kolor i oddziałują silnie. Konsekwencją tego oddziaływania jest swoboda asymptotyczna i uwięzienie koloru. Swoboda asymptotyczna oznacza, że kwarki są najbardziej swobodne wtedy, gdy są najbliżej siebie, przyciągają się zaś tym mocniej, im bardziej są od siebie oddalone. Jest to całkowicie przeciwnie niż w elektrodynamice (czy klasycznej grawitacji), gdzie oddziaływanie między ładunkami (masami) maleje wraz ze wzrostem odległości.
W hadronach występują również kwarki wirtualne i higgsony wirtualne, tzn. wewnątrz hadronu próżnia kwantowa jest w nietypowym stanie[6][7][8] - np. w protonie chiralny kondensat kwarka dziwnego jest stłumiony w porównaniu z przestrzenią poza nim[9].
Rodzaje hadronów
Większość znanych hadronów należy do jednego z dwóch rodzajów:
Bariony są fermionami (mają spin połówkowy), natomiast mezony są bozonami (mają spin całkowity). Bariony posiadają trzy kwarki walencyjne, a mezony tworzą pary kwark–antykwark. Oba te rodzaje cząstek są „bezbarwne”, czyli ich wypadkowy kolor jest biały. Wymiana mezonów między barionami jest przyczyną wiązania jądrowego, które tworzy jądra atomowe jako stany związane barionów.
Bariony zbudowane z przynajmniej jednego kwarku dziwnego (s) nazywamy hiperonami. Materię jądrową zbudowaną z hiperonów lub mezonów dziwnych (na przykład kaonów) nazywamy materią dziwną. Materia jądrowa może tworzyć stan związany grawitacyjnie – gwiazdę neutronową; hipotetycznie także materia dziwna może utworzyć gwiazdę dziwną.
Obecnie przybywa dowodów na istnienie tak zwanych hadronów egzotycznych, czyli hadronów innych niż mezony i bariony. Są one przewidywane przez chromodynamikę kwantową. W 2014 roku w eksperymencie LHCb zaobserwowano z bardzo wysokim poziomem prawdopodobieństwa powstawanie cząstki Z(4430), tworzonej przez cztery kwarki[10], a roku później stan tworzony przez 5 kwarków[11]. Opublikowano również przekonujące pośrednie dowody na istnienie kul gluonowych[12]. Począwszy od 2003 roku znaleziono kilkadziesiąt egzotycznych hadronów[13][14].
Hipotetycznym pozostaje istnienie egzotycznych stanów mieszanych, np. stanu będącego superpozycją mezonu oraz tetrakwarka[15].
Zobacz też
- Wielki Zderzacz Hadronów
- model standardowy
- wzór Gell-Manna–Nishijimy
Przypisy
- ↑ Hadrony, [w:] Encyklopedia PWN [online] [dostęp 2021-07-29].
- ↑ Za molekułę hadronową uznaje się też jądro deuteru z powodu jego rozpiętości i słabego związania. Mianem dibarionu określa się cząstkę z liczbą barionową równą 2, więc może być ona zarówno molekułą hadronową jak i heksakwarkiem: H. Clement, On the history of dibaryons and their final observation, „Progress in Particle and Nuclear Physics”, 93, 2017, s. 195–242, DOI: 10.1016/j.ppnp.2016.12.004 [dostęp 2019-10-22] (ang.).
- ↑ Feng-Kun Guo i inni, Hadronic molecules, „Reviews of Modern Physics”, 90 (1), 2018, DOI: 10.1103/RevModPhys.90.015004, ISSN 0034-6861 [dostęp 2019-09-03] (ang.).
- ↑ G.S. Anagnostatos, ON THE POSSIBLE STABILITY OF TETRANEUTRONS AND HEXANEUTRONS, „International Journal of Modern Physics E”, 17 (08), 2008, s. 1557–1575, DOI: 10.1142/S0218301308010568, ISSN 0218-3013 [dostęp 2020-06-28] (ang.).
- ↑ H. Garcilazo, A. Valcarce, J. Vijande, Stable bound states of $N$'s, $\Lambda$'s, and $\Xi$'s, „arXiv [hep-ph, physics:nucl-th]”, 12 lipca 2020, arXiv:2007.07080 [dostęp 2020-07-18].
- ↑ V.A. Bednyakov i inni, Constraints on the intrinsic charm content of the proton from recent ATLAS data, „The European Physical Journal C”, 79 (2), 2019, DOI: 10.1140/epjc/s10052-019-6605-y, ISSN 1434-6044 [dostęp 2019-06-01] (ang.).
- ↑ C.S. An, B. Saghai, Orbital angular momentum of the proton and intrinsic five-quark Fock states, „Physical Review D”, 99 (9), 2019, DOI: 10.1103/PhysRevD.99.094039, ISSN 2470-0010 [dostęp 2019-06-01] (ang.).
- ↑ Axel Maas, Brout-Englert-Higgs physics: From foundations to phenomenology, „Progress in Particle and Nuclear Physics”, 106, 2019, s. 132-209, DOI: 10.1016/j.ppnp.2019.02.003, arXiv:1712.04721.
- ↑ W. Freeman, D. Toussaint, Intrinsic strangeness and charm of the nucleon using improved staggered fermions, „Physical Review D”, 88 (5), 2013, DOI: 10.1103/PhysRevD.88.054503, ISSN 1550-7998 [dostęp 2019-06-01] (ang.).
- ↑ Cian O'Luanaigh: LHCb confirms existence of exotic hadrons (ang.). CERN, 2014-04-09. [dostęp 2014-04-13]. [zarchiwizowane z tego adresu (2014-04-10)].
- ↑ Paul Rincon, Hadron Collider discovers new particle, 14 lipca 2015 [dostęp 2019-09-03] (ang.).
- ↑ K. Zielinski i inni, First determination of the $\rho $ parameter at $\sqrt{s} = 13$ TeV -- probing the existence of a colourless three-gluon bound state, „arXiv”, 11 grudnia 2018, arXiv:1812.04732v1 [dostęp 2019-09-03] (ang.).
- ↑ Jaume Tarrús Castellà i inni, QCD spin effects in the heavy hybrid potentials and spectra, „arXiv”, 30 sierpnia 2019, arXiv:1908.11699v1 [dostęp 2019-09-03] (ang.).
- ↑ Chang-Zheng Yuan i inni, The $XYZ$ states: experimental and theoretical status and perspectives, „arXiv”, 17 lipca 2019, arXiv:1907.07583v1 [dostęp 2019-09-03] (ang.).
- ↑ Yoshiki Kuroda i inni, Inverse Mass Hierarchy of Light Scalar Mesons Driven by Anomaly-Induced Flavor Breaking, „arXiv [hep-ph]”, 21 października 2019, arXiv:1910.09146 [dostęp 2019-10-22].