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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」這一名詞是指由三个夸克（或者三个反夸克组成的「反重子」）组成的複合粒子。[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。最常见的重子有組成日常物質原子核的质子和中子，合称为核子。其它重子中，有比这两種粒子更重的粒子，即所谓的超子。重子这个称呼是指其质量相对重于轻子和介于两者之间的介子起的。
由上夸克、下夸克和奇夸克中任意三个夸克组成的具有-3/2自旋的重子，这十种重子为十重态。
由上夸克、下夸克和奇夸克中任意三个夸克组成的具有-1/2自旋的重子，这八种重子为八重道。
重子是强相互作用的费米子，也就是说它们遵守费米-狄拉克统计和泡利不相容原理，它们通过组成它们的夸克参加强相互作用。同时它们也参加弱相互作用和引力。带电荷的重子也参加电磁力作用。
重子与由一个夸克和一个反夸克组成的介子一起被合称为强子。强子是所有强相互作用的粒子的总称。
质子是唯一独立稳定的重子。中子假如不与其它中子或者质子一起组成原子核的话就不會稳定，並產生衰变。
重子家族
重子中除了核子外，还有Δ、Λ、Σ、Ξ和Ω等重子家族，合稱為超子。
- Δ重子（Δ++、Δ+、Δ0、Δ−）
- 由上夸克和下夸克组成，它们衰变为π介子以及一个质子或者一个中子。
- Λ重子（Λ0、Λ+c）
- 由一个上夸克、一个下夸克以及一个魅夸克或者一个奇异夸克组成。电中性的Λ重子的发现首次显示了奇异夸克的存在。
- Σ重子（Σ+、Σ0、Σ−）
- 由一个奇异夸克和两个上或者下夸克或者一个上夸克和一个下夸克组成。电中性的Σ重子与电中性的Λ重子相同，因此比其它Σ重子衰变得快。
- Ξ重子（Ξ0、Ξ−）
- 由两个奇异夸克和一个上夸克或者一个下夸克组成。电中性的Ξ重子（由一个上夸克和两个奇异夸克组成）衰变为一个电中性的Λ重子和一个电中性的π介子，后者很快衰变为一个电子和一个阳电子，两者互相湮灭，因此整个过程看上去好像是电中性的Ξ重子衰变为电中性的Λ重子和伽马射线。
- 电负性的Ω重子（Ω−）
- 由三个奇异夸克组成。理论家首先预言了它的存在、质量和衰变结果。它是通过这些预言通过它的衰变结果被发现的，因此它的发现是夸克理论的一个重要成果。
重子物质
重子物质是指从质量上来看主要由重子组成的物质，比如所有由原子组成的物质。而非重子物质则是从质量上来看主要不是由重子组成的物质，比如中微子、自由电子、光子等等。对于暗物质主要是由重子物质还是由非重子物质组成的问题有很多争议。重子可能组成非重子暗物质的可能有超对称粒子、黑洞等。对于宇宙学来说这个问题非常重要，因为早期宇宙中重子物质的量直接影响到大爆炸理论中的核合成模型。
重子物质的存在本身在宇宙学中就已经提出了一个难题。大爆炸理论预言宇宙开始时重子与反重子的量应该是一样多的，此后重子超过反重子的过程被称为重子相变。
命名
| 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− |
重子的分类与命名
根据同位旋（I）和所含夸克的种类将重子分为两类六组：
命名规则依据的是轻夸克（上夸克、下夸克、奇夸克）与重夸克（粲夸克、底夸克、顶夸克）的组合情况，规则涵盖了六种夸克所有可能的三夸克组合的情况，包括包含顶夸克的组合：
- 重子包含三个（
u
、
d
）夸克：
N
(I = 1/2) 、
Δ
(I = 3/2) - 重子包含两个（
u
、
d
）夸克和一个（
s
）夸克：
Λ
(I = 0) 、
Σ
(I = 1)，如果
s
夸克是重夸克（
c
、
b
、
t
）将夸克符号标为下标 - 重子包含一个（
u
、
d
）夸克和两个（
s
）夸克：
Ξ
(I = 1/2)，如果
s
夸克是重夸克（
c
、
b
、
t
）将夸克符号标为下标 - 重子没有包含（
u
、
d
）夸克，包含了三个（
s
）夸克：
Ω
(I = 0)，如果
s
夸克是重夸克（
c
、
b
、
t
）将夸克符号标为下标 - 對於重子強衰變粒子，JP值被視為其名稱的一部份，共振態的质量添加在括号中（单位：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 | |
实际使用时还有一些额外的规则对重子之间进行区别，会用到一些不同的符号：
- 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+ 組態是泡利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+ 两种組態，添加上标（ ∗ ）区别。
- 含有三種夸克的重子（例如 uds 和 udc）可以存在JP = 1⁄2+ 的两种組態。添加上标（ ′ ）区别。
- 根据重子的电荷数添加上标（0、+、-）号
| 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
| 名称 | 記号 | 構成 | 静止質量 (MeV) | 平均寿命 (s) | 發現年 | 發現者 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 質子 | p | uud | 938.272046(21) | 可能不稳定 >1031 ~ 1033 年 | 1911年 | 歐內斯特·盧瑟福 |
| 中子 | n | udd | 939.565560(81) | 885.7±0.8 | 1932年 | 詹姆斯·查德威克 |
| 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 | 罗彻斯特、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
- ^ 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型的质量分布假定
- Review of Particle Physics, S.Eidelman, et al., Phys. Lett. B 592, 1 (2004).