Барио́ны (от греч. βαρύς — тяжёлый) — семейство элементарных частиц, сильно взаимодействующие^[1] фермионы^[2], состоящие из трёх кварков (предполагается, но не доказано существование барионов из 5 и большего числа кварков, см. пентакварк). Барионы вместе с мезонами (последние состоят из двух кварков) составляют группу элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии и называемых адронами.

К основным барионам относятся (по мере возрастания массы): протон, нейтрон, лямбда-гиперон, сигма-гиперон, кси-гиперон, омега-гиперон. Масса омега-гиперона (3278 масс электрона) почти в 1,8 раз больше массы протона.

Классификация барионов

Наиболее стабильными барионами являются протон и нейтрон (вместе они составляют группу нуклонов). Первый из них, насколько это сегодня известно, стабилен, второй испытывает бета-распад с временем жизни, близким к 1000 с. Более тяжёлые барионы распадаются за время от 10⁻²³ до 10⁻¹⁰ с.

Нуклоны имеют кварковый состав uud (протон) и udd (нейтрон). Их спин равен 1/2, странность нулевая. Масса близка к 940 МэВ. Вместе со своими короткоживущими возбуждёнными состояниями нуклоны относятся к группе N-барионов.

Барионы, содержащие как минимум один странный кварк (но не содержащие более тяжёлых кварков), называются гиперонами.

В семействе барионов, кроме нуклонов, выделяют группы Δ-, Λ-, Σ-, Ξ- и Ω-барионов.

• Δ-барионы (Δ⁺⁺, Δ⁺, Δ⁰, Δ⁻), как и нуклоны, состоят из u- и d-кварков, но, в отличие от нуклонов, их спин равен 3/2. Распадаются они главным образом на нуклон и пион. Время жизни Δ-барионов близко к 10⁻²³ с.

• Λ-барионы (Λ⁰) — нейтральные (но не истинно нейтральные) частицы со спином 1/2 и странностью −1 (то есть их можно называть Λ-гиперонами), состоящие из u-, d- и s-кварка. В них u- и d-кварки находятся в синглетном по изоспину состоянии (I=0). Масса 1117 МэВ. Распадаются преимущественно на протон и отрицательный пион или на нейтрон и нейтральный пион с временем жизни 2,6·10⁻¹⁰ с. Открыты также тяжёлые Λ-барионы (Λ⁺_c и Λ⁰_b), в которых странный кварк заменён очарованным (c-кварком) или красивым (b-кварком).

• Σ-барионы (Σ⁺, Σ⁰, Σ⁻) имеют спин 1/2, странность −1. Как и Λ-барион, состоят из u-, d- и s-кварка, но триплетны по изоспину (I=1). Нейтральный Σ⁰-барион имеет тот же кварковый состав, что и Λ⁰-барион (uds), но тяжелее, в связи с этим он очень быстро распадается в Λ⁰ с вылетом фотона (время жизни составляет лишь 6·10⁻²⁰ с, поскольку распад происходит за счёт электромагнитного взаимодействия). Σ⁺ (uus) и Σ⁻ (dds) распадаются за примерно 10⁻¹⁰ с на пион и нуклон. Следует отметить, что Σ⁺ и Σ⁻ не являются частицей и античастицей — это самостоятельные частицы, каждая из них (как, кстати, и Σ⁰) имеет свою античастицу. Массы Σ-гиперонов составляют около 1200 МэВ. Обнаружены также тяжёлые Σ-барионы, не являющиеся гиперонами (то есть содержащие вместо s-кварка более тяжёлый кварк).

• Ξ-барионы (Ξ⁰ и Ξ⁻) имеют спин 1/2, странность −2. Они содержат по два странных кварка; кварковый состав uss (Ξ⁰) и dss (Ξ⁻). Их масса близка к 1,3 ГэВ. Распадаются (с временем жизни около 10⁻¹⁰ с) на пион и Λ⁰-гиперон. Существуют тяжёлые Ξ-барионы, не являющиеся гиперонами (один из странных кварков заменен c- или b-кварком).

• Ω-барионы (существует лишь один тип этих частиц, Ω⁻-гиперон) имеют спин 3/2 и странность −3, состоят из 3 странных кварков (sss). Масса частицы 1,672 ГэВ. Преимущественные моды распада — на Λ⁰-гиперон и отрицательный каон или на Ξ⁰ и отрицательный пион (время жизни около 10⁻¹⁰ с). Открыты некоторые тяжёлые Ω-барионы, отличающиеся заменой одного из s-кварков на тяжёлый кварк.

Существует также широкий спектр короткоживущих возбуждённых состояний этих барионов.

Большинство лёгких барионов в основном состоянии распадаются за счёт слабого взаимодействия, поэтому их время жизни относительно велико (исключение составляет, как было отмечено выше, Σ⁰-гиперон).

Лёгкие барионы (гипероны, Δ-барионы и нуклоны) в зависимости от спина входят в состав одного из двух мультиплетов: декуплета со спином 3/2 (Δ-барионы, Ω-гипероны и возбуждённые состояния Σ- и Ξ-гиперонов) и октета со спином 1/2 (нуклоны, Σ-, Λ- и Ξ-гипероны).

Барионная материя

Барио́нная материя — материя, состоящая из барионов (нейтронов, протонов) и электронов. То есть, привычная форма материи, вещество. Существует также барионная антиматерия, или антивещество.

Барионное число

Барионы подчиняются эмпирически установленному закону сохранения барионного числа: в замкнутой системе величина, равная разности количества барионов и количества антибарионов, сохраняется. Эта величина называется барионным числом. Причины сохранения барионного числа пока неизвестны (во всяком случае, с ним не связано какое-либо калибровочное поле, как с электрическим зарядом), однако во многих вариантах современных (пока не подтверждённых) теорий, расширяющих Стандартную Модель, этот закон может нарушаться. Если барионное число не сохраняется, то протон (самый лёгкий из барионов) может распадаться; однако пока распад протона не обнаружен — установлено только нижнее ограничение на время жизни протона (от 10²⁹ до 10³³ лет, в зависимости от канала распада). Предсказываются и другие процессы, не сохраняющие барионное число, например, нейтрон-антинейтронные осцилляции.

См. также

• Список барионов
• Гипероны

Примечания