2. Кварковая структура адронов и мезонов

Кварки объединяются в частицы, называемые адронами. Термин происходит от греческого слова «хадрос» (сильный). Адроны –связанные системы кварков и антикварков. Существуют адроны двух типов:

барионы (их барионный заряд равен В=+1), состоящие из трёх конституэнтных кварков и являющихся фермионами ; здесь нижний индекс соответствует типу кварка и

мезоны (их барионный заряд равен В=0), состоящие из кварка и антикварка и являющихся бозонами (J = 0, 1, 2 …).

Из определения барионов следует, что должны существовать их антиподы (антибарионы), состоящие из трёх антикварков с барионным зарядом В= -1.

Барионное число В – квантовая характеристика частиц, отражающая установленный на опыте ещё до открытия кварков закон сохранения числа барионов. Так, например, протон без нарушения законов сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда мог бы распасться на позитрон и  - квант:

р  е⁺ + .

Однако такие распады не наблюдаются. Это можно объяснить, приписав протону барионное число В=+1 (антипротону в этом случае надо приписать В= -1) и считать, что у частиц – продуктов распада е⁺ и  - это число нулевое.

Как уже отмечалось выше, адроны имеют определённые значения электрического заряда Q, спина J , чётности P, изоспина I и его проекции I₃. Квантовые числа S(странность), C(очарование), b(bottom), t(top) разделяют адроны на обычные нестранные частицы (p, n, ⁰, ^, ⁰, ^, ⁺⁺…), странные частицы (⁰, ⁰, ^,  …).

Всё многообразие адронов возникает в результате различных сочетаний u-, d-, s-, c-, b-, t-кварков, образующих связанные состояния.

В отличие от точечных кварков, адроны протяжённые объекты. Среднеквадратичные зарядовые радиусы протона (р), пиона () и каона (К) дают представление о размере области пространства, в которой распределён электрический заряд адрона:

.

Кварки, образующие адроны, могут находиться в состояниях с различными орбитальными моментами и в состояниях с различными значениями радиального квантового числа n. Так как кварк имеет положительную чётность, а антикварк – отрицательную, то чётность мезона определяется соотношением

, где L –результирующий относительный орбитальный момент кварка и антикварка, составляющих мезон. Аналогично для чётностей бариона и антибариона можно записать:

.

Спины кварков могут быть ориентированы различным образом. Поэтому для одной и той же кварковой комбинации допустимы различные значения полного момента и чётности J^P . Энергия (масса) фиксированной кварковой комбинации зависит от J^P и других квантовых чисел, в том числе, таких как изоспин, т.е. для каждой кварковой комбинации получаем набор энергий (масс). Такова суть спектроскопии адронов, которая по существу не отличается от атомной или ядерной спектроскопии. Единственное отличие состоит в том, что если у атома (или ядра) с определённым внутренним составом частиц меняется энергия и квантовые числа, то это означает переход в другое состояние этого же атома (ядра). В физике адронов изменение энергии (массы) и квантовых чисел фиксированной кварковой комбинации означает переход к другой частице. Таким образом, в богатстве адронов скрыто всё многообразие межкварковых возбуждений.