78x78px78x78px78x78px78x78px78x78px78x78px Șase arome de leptoni
În fizica particulelor, aroma desemnează proprietatea cuantică internă care diferențiază diferitele tipuri de particule elementare. Modelul standard identifică șase tipuri de quarcuri și șase tipuri de leptoni drept constituenți fundamentali ai materiei. Fiecare tip de particulă este caracterizat printr-o aromă distinctă, descrisă printr-un număr cuantic de aromă. Aceste numere cuantice sunt atribuite particulelor subatomice și sunt utilizate pentru clasificarea lor și pentru descrierea comportamentului în cadrul interacțiunilor fundamentale.
Pe lângă modelul standard, ipotezele privind oferă o perspectivă suplimentară asupra aromelor particulelor. Aceste simetrii sugerează că generațiile de quarcuri și leptoni sunt corelate prin relații fundamentale, furnizând o descriere mai unitară a structurii materiei la scară microscopică.
Numere cuantice În mecanica clasică, o forță aplicată unei poate modifica doar starea sa dinamică, precum impulsul sau momentul unghiular. În schimb, teoria cuantică a câmpurilor permite interacțiuni care pot modifica și alte proprietăți intrinseci ale particulei, descrise prin numere cuantice discrete. Un exemplu important îl constituie interacțiunea slabă, care poate schimba numerele cuantice asociate quarcurilor și leptonilor. Acest proces este cunoscut sub numele de schimbare de aromă (flavor change) sau transmutare de aromă. Datorită naturii cuantice a sistemului, stările de aromă pot apărea, de asemenea, în .
În fizica atomică, numărul cuantic principal al unui electron specifică nivelul energetic ocupat, determinând structura energetică a atomului. În mod analog, numerele cuantice de aromă (precum , (strangeness), (charm), bottomness și ) caracterizează starea cuantică a quarcurilor, corespunzător celor șase arome distincte (u, d, s, c, b, t).
Particulele compozite formate din mai multe quarcuri dau naștere hadronilor, precum mezonii și barionii, fiecare având proprietăți agregate specifice, cum ar fi masa, sarcina electrică și modurile de dezintegrare. Numerele cuantice de aromă ale unui hadron depind de conținutul său de din fiecare aromă.
Legile de conservare Sarcinile fundamentale menționate anterior sunt conservate deoarece corespunzători pot fi interpretați drept generatori de simetrii care comută cu Hamiltonianul. În consecință, valorile proprii ale acestor operatori de sarcină rămân constante în timp.
Numerele cuantice strict conservate în modelul standard sunt: Sarcina electrică () () Numărul barionic () ()
În anumite cadre teoretice, precum , conservarea separată a numărului barionic și leptonic poate fi încălcată, însă combinația rămâne conservată (vezi și anomalia chirală).
Interacțiunile tari conservă aromele particulelor elementare, în timp ce interacțiunile electroslabe pot modifica numerele cuantice de aromă.
Simetria aromei Dacă două sau mai multe particule sunt supuse acelorași interacțiuni, ele pot fi considerate degenerate și pot fi interschimbate fără a modifica rezultatele observabile ale experimentelor. Orice combinație liniară (complexă) a acestor stări degenerate descrie același sistem fizic, cu condiția ca stările să fie ortogonale între ele.
Formal, teoria este invariantă la transformări de simetrie de tipul , unde și reprezintă câmpuri de particule (asociate diferitelor generații de leptoni și quarcuri), iar este o cu determinant unitar. Ansamblul acestor transformări formează un grup Lie de tip (vezi ), constituind un exemplu de simetrie de aromă.
În cromodinamica cuantică, aroma apare ca o simetrie globală aproximativ conservată. În cadrul teoriei electroslabe, această simetrie este însă încălcată, permițând procese de schimbare a aromei, precum dezintegrarea quarcurilor și oscilațiile neutrinilor.
Numere cuantice de aromă
Leptoni Toți leptonii poartă un , care este o mărime conservată în modelul standard. De asemenea, leptonii au , care ia valorile − pentru cei trei leptoni încărcați (electron, muon și ) și + pentru cei trei neutrini asociați. Fiecare dublet format dintr-un lepton încărcat și neutrinul corespunzător, cu valori opuse ale lui , constituie o generație de leptoni. Se definește, de asemenea, un număr cuantic numit , care are valoarea −1 pentru toți leptonii .See table in Atât izospinul slab, cât și hipersarcina slabă sunt mărimi definite în cadrul teoriei gauge a modelului standard.
Leptonilor li se pot atribui șase numere cuantice de aromă: numărul leptonic electronic (), muonic () și tauonic (), împreună cu numerele corespunzătoare pentru neutrini (, și ). Aceste numere cuantice sunt conservate în interacțiunile tari și electromagnetice, dar pot fi încălcate în interacțiunile slabe. În practică, este mai util să se considere câte un număr leptonic pentru fiecare generație:
Număr leptonic electronic (): +1 pentru electroni și neutrini electronici Număr leptonic muonic (): +1 pentru muoni și neutrini muonici Număr leptonic tauonic (): +1 pentru leptoni tau și neutrini tauonici
Totuși, nici aceste numere nu sunt riguros conservate, deoarece apar oscilații de neutrini între generații diferite; un neutrin cu o anumită aromă se poate transforma într-un neutrin de altă aromă. Amplitudinile acestor oscilații sunt descrise de (matricea PMNS).
Quarcuri Toate quarcurile au număr barionic , iar antiquarcurile au . De asemenea, quarcurile posedă . Quarcurile cu sarcină electrică pozitivă (up, charm și top) sunt numite quarcuri de tip up și au , iar quarcurile cu sarcină negativă (down, strange și bottom) sunt numite quarcuri de tip down și au . Fiecare pereche formată dintr-un quarc de tip up și unul de tip down constituie o generație de quarcuri.
Pentru numerele cuantice de aromă ale quarcurilor, convenția este că sarcina de aromă are același ca sarcina electrică a quarcului. Astfel, aroma purtată de un mezon încărcat are același semn cu sarcina sa electrică. Principalele numere cuantice de aromă ale quarcurilor sunt:
A treia componentă a (): pentru quarcul up și pentru quarcul down. (): definită ca , unde este numărul de și numărul de antiquarcuri stranii. (): , unde și sunt numerele de quarcuri și antiquarcuri farmec. (): , unde este numărul de quarcuri bottom. (): , unde și sunt numerele de quarcuri și antiquarcuri top.
Aceste cinci numere cuantice de aromă, împreună cu numărul barionic (care nu este propriu-zis un număr cuantic de aromă), determină complet starea celor șase arome de quarcuri (prin diferența ). Ele sunt conservate în interacțiunile tari și electromagnetice, dar nu și în interacțiunile slabe. Pe baza lor se definesc și mărimi derivate:
(): Sarcină electrică (): (vezi )
Termenii „strange” și „stranietate” au fost introduși înainte de formularea modelului quarcurilor și au fost păstrați din motive de continuitate istorică. Stranietatea antiparticulelor are semn opus celei a particulelor corespunzătoare. Aceste numere cuantice sunt conservate în interacțiunile tari și electromagnetice, dar pot fi încălcate în interacțiunile slabe.
În dezintegrările slabe de ordinul întâi, care implică transformarea unui singur quarc, numerele cuantice de aromă (de exemplu sau ) pot varia în general cu o unitate (, ). Deoarece procesele de ordin inferior sunt mai probabile decât cele de ordin superior, această regulă funcționează ca o aproximativă pentru dezintegrările slabe.
Amestecurile de arome ale quarcurilor sunt stări proprii ale termenului de interacțiune slabă din hamiltonian și interacționează simplu cu bosonii W (interacțiunile slabe încărcate modifică aroma). În schimb, stările cu masă definită sunt stări proprii ale termenilor cinetici și de interacțiune tare. Transformarea dintre baza de masă și baza de aromă este descrisă de (CKM), analogă cu matricea PMNS pentru neutrini, care cuantifică schimbările de aromă în interacțiunile slabe încărcate ale quarcurilor.
Matricea CKM permite apariția în prezența a cel puțin trei generații de quarcuri.
Antiparticule și hadroni Numerele cuantice de aromă sunt aditive. Prin urmare, antiparticulele au numere cuantice de aromă egale ca magnitudine cu cele ale particulelor corespunzătoare, dar de semn opus. Hadronii moștenesc numerele cuantice de aromă de la care îi compun; această proprietate stă la baza clasificării hadronilor în cadrul modelului quarcurilor. Relațiile dintre hipersarcină, sarcină electrică și celelalte numere cuantice de aromă sunt valabile atât pentru hadroni, cât și pentru quarcuri.
Problema de aromă Problema aromei (numită și puzzle-ul aromei) se referă la faptul că modelul standard nu oferă o explicație fundamentală pentru valorile parametrilor liberi asociați aromelor particulelor, precum masele fermionilor și unghiurile de amestecare din matricele și . Acești parametri par a fi fixați empiric, fără a rezulta dintr-un principiu teoretic mai profund. Identificarea originii acestor valori ar constitui o soluție la problema aromei.
Problema ridică mai multe întrebări fundamentale, printre care:
De ce există trei generații de quarcuri (up–down, charm–strange și top–bottom) și de leptoni (electron, muon și tau)? Cum și de ce apare ierarhia maselor și a amestecurilor între diferitele arome ale acestor fermioni?
Cromodinamica cuantică Cromodinamica cuantică (QCD) include șase tipuri de quarcuri: up, down, charm, strange, top și bottom. Masele acestora diferă însă semnificativ, ceea ce face ca ele să nu fie, în general, interschimbabile. Quarcurile up și down au mase mici (de ordinul câtorva MeV/c²) și manifestă aproximativ o simetrie SU(2), cunoscută drept simetria de .
Descrierea simetriei chirale În anumite regimuri (de exemplu, atunci când masele quarcurilor sunt mult mai mici decât scara caracteristică a , de ordinul a 250 MeV), contribuția maselor quarcurilor la dinamica sistemului poate fi neglijată. În prima aproximație, masele celor mai ușoare quarcuri pot fi considerate nule pentru multe aplicații. În această limită, transformările de aromă pot fi tratate ca acționând independent asupra componentelor stângace și dreptace ale câmpurilor de quarcuri. Simetria aproximativă rezultată este descrisă de grupul chiral .
Descrierea simetriei vectoriale Dacă toate quarcurile ar avea mase nenule, dar egale, simetria chirală ar fi redusă la o simetrie vectorială corespunzătoare grupului de aromă diagonal , care acționează identic asupra ambelor helicități ale quarcurilor. Această reducere reprezintă o formă de , a cărei intensitate este determinată de în QCD.
Chiar și în limita quarcurilor fără masă, simetria chirală a aromei poate fi ruptă spontan dacă vidul teoriei conține un (așa cum se întâmplă în QCD la energii joase). Acest mecanism generează mase efective pentru quarcuri, adesea asociate cu masele quarcurilor de valență în descrierile fenomenologice ale hadronilor.
Simetriile QCD Analiza experimentală arată că masele curente ale quarcurilor ușoare (up, down și strange) sunt mult mai mici decât scara caracteristică a QCD, ΛQCD. În consecință, simetria chirală a aromei constituie o bună aproximație pentru QCD în sectorul aromelor ușoare. Succesul și al modelelor chirale mai simple derivă din această proprietate. Masele quarcurilor de valență extrase din sunt semnificativ mai mari decât masele curente ale quarcurilor, ceea ce indică faptul că QCD prezintă o rupere spontană a simetriei chirale asociată formării unui condens chiral. Alte faze ale QCD pot rupe simetriile chirale de aromă în moduri diferite.
Istoric
Izospin Izospinul, stranietatea și hipersarcina au precedat modelul quarcului. Primul dintre aceste numere cuantice, izospinul, a fost introdus ca concept în 1932 de către Werner Heisenberg, pentru a explica simetriile neutronului recent descoperit (simbol ):