Smak (fysikk)

I partikkelfysikk er smak et sett med kvantetall , eller symmetri , som karakteriserer forskjellige typer kvarker og leptoner , ellers ikke kan skilles på grunnlag av andre egenskaper.

I den elektrosvake teorien er denne symmetrien en målesymmetri og manifesterer seg i prosessen med å endre smaken. I kvantekromodynamikken er det en global symmetri , også kalt chiral .

Definisjon

Hvis det er to eller flere partikler som har identiske interaksjoner, kan de byttes med hverandre uten å bryte noen fysisk lov. Enhver (kompleks) lineær kombinasjon av disse to (eller flere) partiklene gir oss det samme fysiske resultatet, så vel som når de er ortogonale til hverandre. Med andre ord har teorien symmetriske transformasjoner som , hvor og er to felt og er hver matrise med en determinant lik én (kalt "unitær" eller "unimodulær"). Disse matrisene danner en Lie-gruppe kalt SU (2) . Dette er et eksempel på smakssymmetri. ${\ displaystyle M \ venstre ({u \ oppå d} \ høyre)}$ $u$ $d$ $M.$ ${\ displaystyle 2 \ ganger 2}$

Som sagt er denne symmetrien global sett fra den sterke interaksjonens synspunkt og måler fra den svake interaksjonens synspunkt .

Begrepet "smak" sies å ha blitt valgt av Murray Gell-Mann og Harald Fritzsch , inspirert av Baskin-Robbins iskremreklame, som skilte med 31 "smaker" (vi vil si smaker), en for hver dag i måneden . Den ble først brukt i 1968 i kvarkmodellen av hadroner for rekken av kvantetall relatert til isospin og hyperladning .

For standardmodellen er det seks forskjellige varianter av kvarker ( opp , ned , sjarm , merkelig , topp og bunn ) og tre leptoner ( elektron , muon , tau med sine respektive nøytrinoer ) kalt "smaker".

Quantum Flavor Numbers

Leptoner

Alle leptoner har et leptonkvantenummer ( L = 1 ) med smak : elektronnummer, myonnummer, taunummer og de tilsvarende tallene for nøytrinoer. Disse er bevart i elektromagnetiske interaksjoner, men brytes av svake interaksjoner og er følgelig ikke til mye nytte. Et kvantenummer for hver generasjon leptoner, bestående av paret av et ladet lepton og dets nøytrino, er mye mer nyttig. Et kvantetall som er definert på denne måten, brytes i nøytrinoscillasjonsfenomener , en prosess der en nøytrino opprinnelig med en gitt smak kan få en annen smak. Styrken til disse kombinasjonene er spesifisert av en matrise kalt PMNS .

Leptoner har også et svakt isospin som er T z = -1/2 for de ladede leptonene (dvs. e, μ og τ) og T z = 1/2 for de tre assosierte nøytrinoene. De har også et kvantenummer kalt svak hyperladning , Y W , som er -1 for ladede leptoner og +1 for nøytrinoer. Den svake isospinen og den svake hyperladningen i standardmodellen er skalarer .

Quark

Kvarker skiller seg fra leptoner ved sin elektriske ladning : leptoner har full ladning (0 eller -1) mens kvarker har +2/3 eller -1/3 ladning ( antikvarker har en -2/3 eller + 1 / ladning i stedet. 3). Alle kvarker og leptoner har spinn 1/2 ħ og er derfor fermioner . Som nevnt er det en rekke forskjellige varianter av kvarker kalt "smaker", oppført i tabellen:

Fornavn	Laste	Estimert masse ( MeV )
opp (u)	+2/3	1,5 til 4 1
Ned (d)	-1/3	4 til 8 1
Merkelig / sidelengs (s)	-1/3	fra 80 til 130
Sjarm (c)	+2/3	fra 1.150 til 1.350
Bunn / Skjønnhet (b)	-1/3	fra 4.100 til 4.400
Topp / sannhet (t)	+2/3	174 300 ± 5 100

1. Estimater av massen av ued er kontroversielle og fortsatt under etterforskning; faktisk er det forslag i litteraturen om at u-kvarken i hovedsak er masseløs.

Alle kvarker har et baryonnummer B = 1/3 . De har også et svakt isospin T z = ± 1/2 . Positive partikler Tz kalles også opp-type kvarker , mens de andre er ned-type kvarker . Hvert par opp- og nedkvarker utgjør en generasjon kvarker.

Kvarker har følgende smakskvantumtall:

Isospin som har en verdi på I z = 1/2 for opp-type kvarker og av I z = - 1/2 for down-type kvarker.
Strangeness ( S ): et kvantetall introdusert av Murray Gell-Mann . Den merkelige antikvarken har en merkelighet på +1 og er en kvark av duntype.
Charm ( C ) som er +1 for sjarmkvarken, som er en opp-type kvark.
Bunn (også kalt skjønnhet ) B ' som er +1 for duntypen antikvarkbunn.
Topp (noen ganger kalt sannhet ) T : +1 for toppkvarken av typen opp.

Disse kvantetallene er nyttige fordi de er bevart av både elektromagnetiske og sterke krefter. Fra dem kan de avledede kvantetallene dannes:

hyperladning - Y = B + S + C + B '+ T e
elektrisk ladning - Q = I z + Y / 2 .

En kvark med en viss smak er en egentilstand (fra den tyske egentilstanden : bokstavelig talt "riktig tilstand") av den svake interaksjonsdelen av Hamiltonianen : den vil samhandle på en bestemt måte med W + , W - og Z bosonene . fermion av konstant masse (en tilstand av kinetikken og de sterke interaksjonsdelene til Hamiltonian) er normalt en superposisjon av forskjellige smaker. Dette betyr at smaksinnholdet i en kvantetilstand kan endre seg ettersom den forplanter seg fritt. Den grunnleggende smak-til-masse-transformasjonen for kvarker er gitt av den såkalte Cabibbo-Kobayashi-Maskawa- matrisen ( CKM-matrisen ). Derfor definerer denne matrisen per definisjon styrken til smaksendringer avhengig av de svake interaksjonene til kvarker.

CKM-matrisen tillater CP-brudd hvis det er minst tre generasjoner. Forholdet til det sterke CP-problemet er analysert i en annen artikkel.

Antipartikler og hadroner

Kvantetallene for smak er additive (de legges sammen) og derfor har antipartiklene en smak av lik størrelse, men motsatt fortegn. For eksempel har positronet (som er antipartikkelen til elektronet) l = -1 og Q = 1. Hadroner arver sitt kvantesmaknummer fra smakene til kvarkene som utgjør dem: dette er grunnlaget for modellklassifiseringen kvark . Forholdet mellom hyperladning, elektrisk ladning og andre kvantesmakstall gjelder for hadroner så vel som for kvarker.

Kvantekromodynamikk

Som nevnt i introduksjonen, i QCD er smakssymmetrien nært korrelert med symmetrien til kiralitet . Dette argumentet er lettere å forstå sammen med det om kiralitet .

De seks kvarksmakene av kvantekromodynamikk har forskjellige masser og av denne grunn er de ikke utskiftbare. To av disse smakene, opp og ned , har nesten lik masse og teorien har en omtrentlig SU-symmetri mot dem (2). I noen spesielle omstendigheter kan Nf-smaken betraktes som nesten degenerert og en effektiv symmetri av SU ( Nf ) -smaken oppnås.

Under andre omstendigheter kan massen av kvarker neglisjeres. I dette tilfellet har hver kvarksmak en chiral symmetri slik at smakstransformasjoner kan utføres på venstre- og høyrehendte kvarker. Smakgruppen er i dette tilfellet en chiralitetsgruppe . ${\ displaystyle SU_ {L} (N_ {f}) \ ganger SU_ {R} (N_ {f})}$

Hvis alle kvarker hadde lik masse, ville denne kirale symmetrien bli brutt av vektorsymmetrien til den diagonale smaksgruppen som involverer den samme transformasjonen i kvarkenes to helisiteter. Denne reduksjonen i symmetri kalles eksplisitt symmetribrudd . Omfanget av dette bruddet kontrolleres av massene av de nakne kvarkene i QCD.

Selv om kvarkene var masseløse, kunne smakssymmetrien spontant bryte hvis teoriens vakuum av en eller annen grunn inneholdt et kiralt kondensat (også kalt et fermionkondensat eller kvarkkondensat ). Dette øker sannsynligheten for at kvarker faktisk har masse, ofte identifisert i QCD med valensmassen til kvarker.

Symmetri av QCD

Eksperimentell analyse indikerer at de nakne kvarkmassene til lette kvarksmaker er mye mindre enn QCD-skalaen (dvs. mengden Λ eller Λ QCD ), og derfor er den kirale smakssymmetrien en god tilnærming til QCD. Suksessen til den kirale forstyrrelsesteorien og enda mer til de enkle kirale modellene stammer fra dette faktum. Valensmassene til kvarkene hentet fra kvarkmodellen er mye større enn massen til den nakne kvarken . Dette betyr at QCD har et spontant brudd av den kirale symmetrien med dannelse av et kiralt kondensat. En annen type QCD-fase (kvarkmatrisen) kan bryte de chirale smaksymmetriene på andre måter.

Bevaringslover

Kvantesmakstallene som absolutt må bevares er:

den elektriske ladningen Q;
forskjellen mellom baryontallet og leptontallet : kalt BL-tallet .

Alle andre smakskvantetall brytes av svake interaksjoner via kirale anomalier . Sterke interaksjoner beholder alle smaker.

Bibliografi

Richard Feynman , The reason for antiparticles , i The 1986 Dirac memorial lectures , Cambridge University Press, 1987 , ISBN 0-521-34000-4 .
Richard Feynman, Quantum Electrodynamics , Perseus Publishing, 1998 , ISBN 0-201-36075-6 .
Richard Feynman, QED: The Strange Theory of Light and Matter , Adelphi, ISBN 88-459-0719-8 .
Steven Weinberg, The quantum theory of fields, bind 1: Foundations , Cambridge University Press, 1995, ISBN 0-521-55001-7 .
( EN ) Claude Cohen-Tannoudji, Jacques Dupont-Roc og Gilbert Grynberg, Photons and Atoms: Introduction to Quantum Electrodynamics , John Wiley & Sons, 1997, ISBN 0-471-18433-0 .
( EN ) JM Jauch og F. Rohrlich, The Theory of Photons and Electrons , Springer-Verlag, 1980, ISBN 0-201-36075-6 .