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粒子和互动

粒子和互动

夸克,斗篷和五角形

10 Jun 2004

Pentaquarks不适合传统的Holrons夸克模型,但了解这些异国情调的新颗粒正在向强烈互动的微妙提供新的见解

美国杰斐逊实验室的CEBAF大型验收光谱仪(CLA)实验
五夸克
美国杰斐逊实验室的CEBAF大型验收光谱仪(CLA)实验

在20世纪60年代初,粒子物理学家发现他们徘徊在丛林中。他们面对一个令人困惑的粒子阵列,称为HOTRONS没有遵循任何可辨别的模式。 Murray Gell-Mann最终通过提出所有Hadrons由称为夸克的更多基本粒子的组合组成的所有特罗隆丛林:介子含有夸克和古董,而Baryons包含三种夸克。一些物理学家发现这个大胆的假设难以吞噬,但四十年这两个基本“body plans”已经或多或少充足以适应在实验中出现的许多新的强调。

然而,现在,我们发现,紧密倾向的龙舌兰花园是异国情调的新增长。去年,日本春季8实验室的LEPS实验研究人员宣布发现一种称为θ的新粒子+(1540)不符合Meson或Baryon Body计划(图1)。物理学家已经推测了这种颗粒– for which the “1540”表示MEV中颗粒的质量–时。事实上,1997年彼得斯堡核物理研究所的Dmitri Diakonov和同事提出了异国情调的粒子的可能性,尽管这是基于从这里描述的那个相当不同的强度观点。

LEPS结果是通过其他实验迅速证实的,包括弗吉尼亚州杰斐逊实验室的Clas实验和莫斯科ITEP实验室的戴安娜实验。之后很快,CERN的NA49在CERN的合作发现了一系列较重粒子的依据,这些粒子似乎是θ的近亲+而且,这三月在汉堡的贫民实验室中的H1合作瞥了一眼可能是一个更异落的表兄弟的新粒子。

这些颗粒的基本性质及其形成的方式未知。实际上,仍然存在关于它们是否存在的辩论。一种流行的解释是新粒子在界限中包含四个夸克和一个古董。无论这张照片是否正确,都会替代“pentaquarks”在强烈互动的微妙之处提供令人兴奋的新见解。

一个异国情调的挑战

每个人都同意强的相互作用的基本理论是称为量子色谱的量子场理论,或短暂的QCD。 QCD以各种方式是显着的理论。首先,它一致地体现了特殊的相对论和量子力学。量子电动动力学(QED),及其扩展到粒子物理学的电挖掘标准模型,也是量子场理论。然而,已知QED会分解并在短距离下发展不一致。我们从一般相对性获得的量子场的重力理论也患有类似的抱怨,以更具毒性的形式。 QCD是独一无二的,它不会遭受这个问题,因此它形成了我们最逻辑的自然理论。

QCD也是一个美丽的理论。其等式具有特殊的对称程度,称为颜色仪表不变性,可以精确地修复其结构。结果,QCD非常明确:夸克与胶合互动,胶合在固定模式中相互交互(参见更多信息)。非常少量的参数,即每种夸克的一个通用耦合强度和一个质量,完全指定QCD。一个人不能以任何方式改变方程而不破坏它们的对称性,最终是它们的一致性。这意味着QCD的定量预测,原则上涵盖了强烈相互作用的所有现象,是明确的:无乳脂因素可用。

在实证方面,QCD通过幸存了数千个严格的测试来赢得了我们的信心。例如,涉及数百种独立测量的不同类型实验的结果可以仅使用描述交互强度的参数在QCD内始终如一地解释(图2)。 QCD的另一个显着成功是预测“asymptotic freedom”,这意味着夸克和胶合之间的耦合强度应在高能量或等效地短距离处减少。这与QED中的耦合强度呈现出鲜明对比,这在短距离下变大。

那有什么问题?简单地,QCD的等式很难解决。他们最引人注目的结果是,夸克和胶合都可以孤立出现:相反,它们永远在诸如质子和中子等荷兰之类的。这种QCD的Bizarre属性涉及复杂和高度非线性动态。虽然有些情况我们可以直接从基本理论做出定量预测,例如图2所示的那些,但也有许多无法以这种方式回答的物理上重要的问题。

要把它粗略地说,我们可以做好预测能量夸克和胶合的性质,以及“jets”他们留下后的强度。然而,我们发现很难描述夸克和胶合在一起形成强子的方式。我们很难计算熟悉颗粒的质量和特性,例如质子,中子和来自第一个原理的质子,中子和分子,并且我们甚至更加困难地与这些颗粒的许多Baryon和Meson亲属的时间。至于原子核,我们在直接从QCD方程中计算它们的性质,我们完全没有成功。

然而,通过利用最新的超级计算机,研究人员能够计算出最轻和最简单的强烈相互作用的颗粒的群体(图3)。这些计算为我们提供了深刻的见解,以质量的群体起源。例如,质子和中子具有近1000米伏的质量,但它们是由夸克和下降夸克的构建,具有约20 meV的组合质量,并且从具有精确零质量的胶质泡沫的胶囊构建!然而,遗憾的是,在这些计算中使用的技术是专门的,脆弱的,在计算机电力方面令人脆弱。他们允许我们非常准确地计算几批数量,但到目前为止,他们对大多数人来说是无用的。

这个情况–一个美丽的基本理论,很难与之合作–在科学中非常常见。保罗迪拉克着名的是,随着量子电动动力的出现,我们的手中有一个涵盖的理论“所有化学,以及大多数物理学”。这有一些真相。在少数情况下,例如电子的磁矩,我们可以计算QED的预测到每十亿或更小,然后用实验比较这些。协议是显着的(见 “muOns:当下的粒子”)。

但是,QED也具有实际限制。理论中的基本耦合强度α〜1/137是薄弱的,这允许我们计算简单原子和分子的特性作为a中的动力系列。因此,我们相当确定我们可以写下方程式,如果我们能够解决它们,可以描述大分子的形状和稳定性。但这是一个很大的if。实际上,理论上的理论和实验化学都没有被超级计算机在QED方程中取代。相反,化学家开发了化学价等概念,以及诸如分子的球形和棒图像的型号。然而,这些模型与基本QED之间的关系并不完全直截了当。

在QCD中,挑战更加令人生畏。没有有用的连续近似方案,没有订单攻击的逐个攻击的起始场所。类似于QED的α的耦合强度小于短距离,但随着我们接近HADRONS形式的距离,它变大。例如,质子的大小是夸克之间的耦合强度变得如此大的距离,即它们的互吸引力克服量子物体的自然趋势–这是由波浪描述的–散发出来。如果QCD理论家想要描述HADRONS,他们必须从一开始就转向模型。

夸克模型

实际上是QCD的一个着名和成功的模型是夸克模型。正如我们之前提到的那样,该模型是为了响应20世纪60年代数百个非常短而粒子的发现而发明。夸克模型假设强互动中的基本实体不是我们直接观察的粒子,而是夸克和古董。观察到的颗粒应该遵循两个基本的一个“body plans”:介子由夸克和古董组装,表示QQ-Bar,而Baryons由三个夸克,QQQ组装。

这些基本计划允许多种阐述。每个夸克都可以从六种口味中的任何一个中选择:上,向下,奇怪,魅力,底部和顶部。此外,它们的旋转可以以各种方式对齐,并且每个夸克也可以是不同的空间轨道。例如,夸克口味的每个组合具有最低能量状态和a“tower”高能量状态,与特定原子具有地位和各种激发态的相同方式。通过对夸克的群众进行简单的假设及其相互作用,夸克模型可以为群众和特性进行半定量,这些群体和性质是已知的“resonances”.

因此,夸克模型成功地修剪了一个庞大的实验材料丛林到可管理的花园中,但它与基本QCD的关系充其量。它不提供系统近似的起点,也不是估计其预测中的不确定性的可靠方式。然而,QCD解释了为什么未观察到单个夸克或胶合,因为它只允许夸克数量减去古董数量的那些正文计划等于三个三倍。因此,最简单的可能性是QQ-BAR和QQQ,其分别对应于夸克模型中的介子和雷静音。

这一规则是概念的概念“opposite charges”在QED中存在:电子和质子都是带电的,但它们的电荷相反,因此它们可以组合以制造中性状态。在QCD中,相同的原理持有:夸克和古董可以形成一个“colour neutral”状态。此外,三个夸克或三个古老夸夸都可以制造中立状态。 (QCD中的电荷称为颜色的一个原因是红色,绿色和蓝色可以混合在一起制作白色。)在更深层次的水平下,夸克模型的更详细假设不完全舒适地舒适地舒适QCD作为严谨的量子场理论。

根据量子领域理论,应通过夸克和强子内的夸克和胶水自发地发出和重新吸收胶合和古夸克对。夸克模型的车身计划在这种更深层次的结构上光泽,但绝对存在。当我们通过用电子轰击它们时,仔细检查质子时,我们发现它们含有大量的胶合和轻夸克古克配对。实际上,它们包含无限数。即使我们忽略了这些量子波动,也接受了“rule of three”对于夸克 - 古金克组合,我们必须奇迹:为什么异国风格的身体计划,如Tetraquarks(QQQ-Barq-Bar)或Pentaquarks(QQQQQ-Bar)在Holtrons的光谱中找到?

另一种众所周知的众所周知和高度成功的模型,即使是夸克模型也是其成功部分解释了为什么夸克花了这么长时间才能发现,是原子核的传统模型。在该模型中,核被描绘为核磁体(质子和中子)的松散聚集体,每个核磁模型(质子和中子),其中,根据夸克模型,有三个夸克锁在其中。该模型的成功迫使我们在夸克模型中添加一个简称,其中允许允许包含三夸克组合的几乎无限数量的界限。换句话说,也是QQQ状态,我们也必须允许(QQQ)n states.

传统的核模型迫使我们询问什么可以防止两个独立的三夸克袋合并形成一个单一的六夸克包?为了回答这个,我们首先需要了解核仁之间强烈排斥的起源。这种排斥在传统的核物理学中具有基本重要性,因为它可以防止将删除单个核聚核聚的身份的合并。特别是,我们需要知道为什么h“dibaryon”没有观察到具有夸克组成的夸克组成。直接的夸克袋模型表明H Dibaryon应该相对较轻,稳定且易于观察,但它尚未通过实验观察。

在这次讨论明确的情况下,异国情调的斑块的问题在我们目前对强烈互动的理解中暴露了深刻的弱点。为什么我们不观察更多的粒子,这些粒子不符合夸克模型的身体计划?如果这样的话“exotics”确实存在,我们希望他们采取什么形式?我们相信这些问题的答案谨慎地考虑夸克之间的互动。传统的夸克模型将夸克之间的相互作用视为事后的经文,或者作为更精确的扰动。在QCD中,这在高能量或短距离处是合理的,但不是一般。实际上,QCD的基本方程表明了夸克互动的一些相当特定的属性。

例如,当每个夸克的颜色和旋转都不同,或(更精确地)反对称时,两个夸克之间的力是有吸引力的。当以这种方式相关两个夸张时,它们形成一个特别低能量的配置,我们称之为岛。当它们涉及光夸克(U,D和S)时,这些相关性最强,并且对U和D夸克更突出,而不是S夸克。结果,岛克斯有三个品种:[UD],[美国]和[DS],方括号反映了夸克波发射的反对称。

岛屿不应被视为他们自己的粒子。虽然它们包含两个夸克,但它们不是颜色中性,因此不能作为隔离的绑定状态存在。相反,它们漂浮在内侧,作为大小为约1件FM的复合实体,其与强子大致相同。因此,迪卡克斯是概念性构建块,其为大力频谱中最重要的状态提供了一个有用的排序原理。一种类似的概念在化学中熟悉:具有相反旋转的电子类似于形成对,并且往往是在原子或分子内部松散地绑定单元的配对电子常用。

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