重子
重子（Baryon）是一個現代粒子物理學名詞，在標準模型理論中，「重子」這一名詞是指由三個夸克（或者三個反夸克組成的「反重子」）組成的複合粒子。[1]:1232在這理論中它是強子的一類。值得注意的是，因為重子屬於複合粒子，所以「不是」基本粒子。最常見的重子有組成日常物質原子核的質子和中子，合稱為核子。其它重子中，有比這兩種粒子更重的粒子，即所謂的超子。重子這個稱呼是指其質量相對重於輕子和介於兩者之間的介子起的。
重子是強交互作用的費米子，也就是說它們遵守費米-狄拉克統計和包立不相容原理，它們通過組成它們的夸克參加強交互作用。同時它們也參加弱交互作用和重力。帶電荷的重子也參加電磁力作用。
重子與由一個夸克和一個反夸克組成的介子一起被合稱為強子。強子是所有強交互作用的粒子的總稱。
質子是唯一獨立穩定的重子。中子假如不與其它中子或者質子一起組成原子核的話就不會穩定，並產生衰變。
重子家族 編輯
重子中除了核子外，還有Δ、Λ、Σ、Ξ和Ω等重子家族，合稱為超子。
- Δ重子（Δ++、Δ+、Δ0、Δ−）
- 由上夸克和下夸克組成，它們衰變為π介子以及一個質子或者一個中子。
- Λ重子（Λ0、Λ+c）
- 由一個上夸克、一個下夸克以及一個魅夸克或者一個奇異夸克組成。電中性的Λ重子的發現首次顯示了奇異夸克的存在。
- Σ重子（Σ+、Σ0、Σ−）
- 由一個奇異夸克和兩個上或者下夸克或者一個上夸克和一個下夸克組成。電中性的Σ重子與電中性的Λ重子相同，因此比其它Σ重子衰變得快。
- Ξ重子（Ξ0、Ξ−）
- 由兩個奇異夸克和一個上夸克或者一個下夸克組成。電中性的Ξ重子（由一個上夸克和兩個奇異夸克組成）衰變為一個電中性的Λ重子和一個電中性的π介子，後者很快衰變為一個電子和一個陽電子，兩者互相湮滅，因此整個過程看上去好像是電中性的Ξ重子衰變為電中性的Λ重子和伽瑪射線。
- 電負性的Ω重子（Ω−）
- 由三個奇異夸克組成。理論家首先預言了它的存在、質量和衰變結果。它是通過這些預言通過它的衰變結果被發現的，因此它的發現是夸克理論的一個重要成果。
重子物質 編輯
重子物質是指從質量上來看主要由重子組成的物質，比如所有由原子組成的物質。而非重子物質則是從質量上來看主要不是由重子組成的物質，比如微中子、自由電子、光子等等。對於暗物質主要是由重子物質還是由非重子物質組成的問題有很多爭議。重子可能組成非重子暗物質的可能有超對稱粒子、黑洞等。對於宇宙學來說這個問題非常重要，因為早期宇宙中重子物質的量直接影響到大爆炸理論中的核合成模型。
重子物質的存在本身在宇宙學中就已經提出了一個難題。大爆炸理論預言宇宙開始時重子與反重子的量應該是一樣多的，此後重子超過反重子的過程被稱為重子相變。
命名 編輯
| 自旋（S） | 角動量算符（L） | 總角動量量子數（J） |
宇稱（P） P=(−1)L |
JP |
|---|---|---|---|---|
| 1/2 | 0 | 1/2 | + | 1/2+ |
| 1 | 3/2, 1/2 | − | 3/2−, 1/2− | |
| 2 | 5/2, 3/2 | + | 5/2+, 3/2+ | |
| 3 | 7/2, 5/2 | − | 7/2−, 5/2− | |
| 3/2 | 0 | 3/2 | + | 3/2+ |
| 1 | 5/2, 3/2, 1/2 | − | 5/2−, 3/2−, 1/2− | |
| 2 | 7/2, 5/2, 3/2, 1/2 | + | 7/2+, 5/2+, 3/2+, 1/2+ | |
| 3 | 9/2, 7/2, 5/2, 3/2 | − | 9/2−, 7/2−, 5/2−, 3/2− |
重子的分類與命名
根據同位旋（I）和所含夸克的種類將重子分為兩類六組：
命名規則依據的是輕夸克（上夸克、下夸克、奇夸克）與重夸克（魅夸克、底夸克、頂夸克）的組合情況，規則涵蓋了六種夸克所有可能的三夸克組合的情況，包括包含頂夸克的組合：
- 重子包含三個（
u
、
d
）夸克：
N
(I = 1/2) 、
Δ
(I = 3/2) - 重子包含兩個（
u
、
d
）夸克和一個（
s
）夸克：
Λ
(I = 0) 、
Σ
(I = 1)，如果
s
夸克是重夸克（
c
、
b
、
t
）將夸克符號標為下標 - 重子包含一個（
u
、
d
）夸克和兩個（
s
）夸克：
Ξ
(I = 1/2)，如果
s
夸克是重夸克（
c
、
b
、
t
）將夸克符號標為下標 - 重子沒有包含（
u
、
d
）夸克，包含了三個（
s
）夸克：
Ω
(I = 0)，如果
s
夸克是重夸克（
c
、
b
、
t
）將夸克符號標為下標 - 對於重子強衰變粒子，JP值被視為其名稱的一部份，共振態的質量添加在括號中（單位：MeV/c2）。
| 重子 | 核子（N） | Δ重子 | Λ重子 | Σ重子 | Ξ重子 | Ω重子 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 包含( 、 )夸克 | 3 | 2 | 1 | 0 | ||
| 包含( 、 、 、 )夸克 | 0 | 1 | 2 | 3 | ||
| 同位旋 ( ) | 1⁄2 | 3⁄2 | 0 | 1 | 1⁄2 | 0 |
| 2 | 4 | 1 | 3 | 2 | 1 | |
實際使用時還有一些額外的規則對重子之間進行區別，會用到一些不同的符號：
- 只含有一種夸克的重子（如 uuu 和 ddd）存在 JP = 3⁄2+ 組態，而 JP = 1⁄2+ 組態是包立不相容原理所不允許的。
- 含有二種夸克的重子（如 uud 和 uus）和三種夸克的重子（如 uds 和 udc）可以存在JP = 1⁄2+ 和 JP = 3⁄2+ 兩種組態，添加上標（ ∗ ）區別。
- 含有三種夸克的重子（例如 uds 和 udc）可以存在JP = 1⁄2+ 的兩種組態。添加上標（ ′ ）區別。
- 根據重子的電荷數添加上標（0、+、-）號
| N | 夸克 | JP
|
Σ JP=1⁄2+ | 夸克 | JP | Σ JP=3⁄2+ | 夸克 | JP | ΞJP=1⁄2+ | 夸克 | JP | ΞJP=3⁄2+ | 夸克 | JP | ΩJP=1⁄2+ | 夸克 | JP | ΩJP=3⁄2+ | 夸克 | JP |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
p / p+ / N+ |
u u d |
1⁄2+ | Σ+ |
u u s |
1⁄2+ | Σ∗+ |
u u s |
3⁄2+ | Ξ0 |
u s s |
1⁄2+* | Ξ∗0 |
u s s |
3⁄2+ | Ω− |
s s s |
3⁄2+ | |||
n / n0 / N0 |
u d d |
1⁄2+ | Σ0 |
u d s |
1⁄2+ | Σ∗0 |
u d s |
3⁄2+ | Ξ− |
d s s |
1⁄2+* | Ξ∗− |
d s s |
3⁄2+ | Ω0 c |
s s c |
1⁄2+ | Ω∗0 c |
s s c |
3⁄2+ |
Σ− |
d d s |
1⁄2+ | Σ∗− |
d d s |
3⁄2+ | Ξ+ c |
u s c |
1⁄2* +* | Ξ∗+ c |
u s c |
3⁄2+ | Ω− b |
s s b |
1⁄2+ | Ω∗− b |
s s b |
3⁄2+ | |||
| Δ | 夸克 | JP | Σ++ c |
u u c |
1⁄2+ | Σ∗++ c |
u u c |
3⁄2+ | Ξ0 c |
d s c |
1⁄2* +* | Ξ0 c |
d s c |
3⁄2+ | Ω+ cc |
s c c |
1⁄2+ | Ω∗+ cc |
s c c |
3⁄2+ |
Δ++ |
u u u |
3⁄2+ | Σ+ c |
u d c |
1⁄2+ | Σ∗+ c |
u d c |
3⁄2+ | Ξ′+ c |
u s c |
1⁄2+ | Ω0 cb |
s c b |
1⁄2+ | Ω∗0 cb |
s c b |
3⁄2+ | |||
Δ+ |
u u d |
3⁄2+ | Σ0 c |
d d c |
1⁄2+ | Σ∗0 c |
d d c |
3⁄2+ | Ξ′0 c |
d s c |
1⁄2+ | Ω′0 cb |
s c b |
1⁄2+ | ||||||
Δ0 |
u d d |
3⁄2+ | Σ+ b |
u u b |
1⁄2+ | Σ∗+ b |
u u b |
3⁄2+ | Ξ++ cc |
u c c |
1⁄2* +* | Ξ∗++ cc |
u c c |
3⁄2+ | Ω− bb |
s b b |
1⁄2+ | Ω∗− bb |
s b b |
3⁄2+ |
Δ− |
d d d |
3⁄2+ | Σ0 b |
u d b |
1⁄2+ | Σ∗0 b |
u d b |
3⁄2+ | Ξ+ cc |
d c c |
1⁄2* +* | Ξ∗+ cc |
d c c |
3⁄2+ | Ω++ ccc |
c c c |
3⁄2+ | |||
Σ− b |
d d b |
1⁄2+ | Σ∗− b |
d d b |
3⁄2+ | Ξ0 b |
u s b |
1⁄2* +* | Ξ∗0 b |
u s b |
3⁄2+ | Ω+ ccb |
c c b |
1⁄2+ | Ω∗+ ccb |
c c b |
3⁄2+ | |||
| Λ | 夸克 | JP | Σ++ t |
u u t |
1⁄2+ | Σ∗++ t |
u u t |
3⁄2+ | Ξ− b |
d s b |
1⁄2* +* | Ξ∗− b |
d s b |
3⁄2+ | Ω0 cbb |
c b b |
1⁄2+ | Ω∗0 cbb |
c b b |
3⁄2+ |
Λ0 |
u d s |
1⁄2+ | Σ+ t |
u d t |
1⁄2+ | Σ∗+ t |
u d t |
3⁄2+ | Ξ′0 b |
u s b |
1⁄2+ | Ω− bbb |
b b b |
3⁄2+ | ||||||
Λ+ c |
u d c |
1⁄2+ | Σ0 t |
d d t |
1⁄2+ | Σ∗0 t |
d d t |
3⁄2+ | Ξ′− b |
d s b |
1⁄2+ | |||||||||
Λ0 b |
u d b |
1⁄2+ | Ξ0 bb |
u b b |
1⁄2* +* | Ξ∗0 bb |
u b b |
3⁄2+ | ||||||||||||
Λ+ t |
u d t |
3⁄2+ | Ξ− bb |
d b b |
1⁄2* +* | Ξ∗− bb |
d b b |
3⁄2+ | ||||||||||||
Ξ+ cb |
u c b |
1⁄2* + | Ξ∗+ cb |
u c b |
3⁄2+ | |||||||||||||||
Ξ0 cb |
d c b |
1⁄2* +* | Ξ∗0 cb |
d c b |
3⁄2+ |
主要重子列表 編輯
| 名稱 | 記號 | 構成 | 靜止質量 (MeV) | 平均壽命 (s) | 發現年 | 發現者 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 質子 | p | uud | 938.272046(21) | 可能不穩定 >1031 ~ 1033 年 | 1911年 | 歐尼斯特·拉塞福 |
| 中子 | n | udd | 939.565560(81) | 885.7±0.8 | 1932年 | 詹姆斯·查兌克 |
| Δ粒子 | Δ++ | uuu | 1230~1234[2] | (1.58~1.72)×10-15 | ||
| Δ+ | uud | |||||
| Δ0 | udd | |||||
| Δ- | ddd | |||||
| Λ粒子 | Λ | uds | 1115.683±0.006 | (2.632±0.020)×10-10 | 1947年 | 羅徹斯特、巴特拉 |
| Λc+ | udc | 2284.9±0.6 | (200±6)×10-15 | |||
| Λb0 | udb | 5624±9 | (1.229±0.080)×10-12 | |||
| Σ粒子 | Σ+ | uus | 1189.37±0.07 | (0.8018±0.0026)×10-10 | 1953年 | 伯尼特 |
| Σ0 | uds | 1192.642±0.024 | (7.4±0.7)×10-20 | 1953年 | ||
| Σ- | dds | 1197.449±0.030 | (1.479±0.011)×10-10 | 1953年 | ||
| Ξ粒子 | Ξ0 | uss | 1314.83±0.20 | (2.90±0.09)×10-10 | 1959年 | |
| Ξ- | dss | 1321.31±0.13 | (1.639±0.015)×10-10 | 1952年 | ||
| Ω粒子 | Ω- | sss | 1672.45±0.29 | (0.821±0.011)×10-10 |
參考文獻 編輯
- ^ Halliday, David; Resnick, Robert; Walker, Jerl, Fundamental of Physics 7th, USA: John Wiley and Sons, Inc., 2005, ISBN 0-471-23231-9,
Each baryon is a combination of three quarks
- ^ Breit-Wigner型的質量分布假定
- Review of Particle Physics, S.Eidelman, et al., Phys. Lett. B 592, 1 (2004).