Nukleon

A nukleon az atommagot alkotó részecskék: a neutron és a proton közös neve. Az atommagban az erős kölcsönhatás tartja össze őket. Nagyjából egyforma tömegűek és átmérőjűek. Az atom tömegének döntő részét a nukleonok adják, az atom tömegszáma emiatt a nukleonok számával egyezik. A nukleonok barionok. Az 1960-as évekig elemi részecskének gondolták őket, ekkoriban a közöttük ható kölcsönhatással definiálták az erős kölcsönhatást. Ma már tudjuk, hogy összetett részecskék, kvarkokból és gluonokból épülnek fel. A nukleonok tulajdonságainak megértése a kvantumszíndinamika egyik fő célja.

A proton kvarkszerkezete

Proton

A proton a legkönnyebb barion és stabilitása a barionszám megmaradásának mértéke. A proton élettartama így erős kényszert ró ki az olyan spekulatív elméletekre, amelyek megpróbálják kiterjeszteni a részecskefizika standard modelljét.

Spinje és paritása 1/2⁺, töltése +1, tömege 938 MeV. A proton a hidrogén atommagja. Mágneses momentuma 2,79 magmagneton. Elektromos dipól momentuma nullával konzisztens, felső határa 0.,4·10⁻²³ e-cm. A töltéssugarát – ami 0.870 fm – főleg rugalmas elektron-proton szórással szokás mérni.

Néhány nagy egyesített elméletben bomolhat. Felezési idejének jelenlegi alsó határa 2,1·10²⁹ (kétszáztíz kvadrilliárd) év. Bizonyos bomlási módokra (antilepton vagy lepton és egy mezon) a határ gyakran jobb, mint 10³² (száz kvintillió) év. A protont ezért stabil részecskének tekintjük, és a barionszámot megmaradó mennyiségnek.

Protonszórás

A protonszórással kapcsolatos kutatások a nagy energiájú fizikai átalakulások egyik központi témája lett az utóbb időkben. Nem csupán az egyes jelenségek jobb megértéséhez vezethetnek, hanem a természeti erők alapvető tulajdonságainak mélyebb megismerésének alapját képezhetik. A protonok és neutronok barionszáma 1, elvileg a természetben ez számít a legkisebb egységnek. A proton – mivel valamivel könnyebb mint a neutron (a tömegkülönbség 0,14 %-a a proton tömegének, amely megakadályozza a proton bomlását. Ezen jelenség járul hozzá a világegyetem jelenlegi működésének fenntartásához. Egyéb esetben a hidrogén stabilitása felborulna, vagy pedig a proton befogná az elektront és neutronná alakulna át.

A barion szám ugyanakkor csak egy a standard modell egy véletlenszerűen megállapított szimmetria. Mivel nem fundamentális jellegű, a modell bármely kiterjesztése során sérülhet. Ha a barionszám konzervatív jellege sérülne, a proton számos módon bomlást szenvedhetne, például a

$$p^{+}\rightarrow e^{+}\ \pi ^{-}\qquad vagy\qquad p^{+}\rightarrow e^{+}\ \gamma$$

reakciók során.

Neutron

A neutron semleges, spinje és paritása 1/2⁺, tömege 940 MeV. Élettartamának legprecízebb mérései különféle csapdákból és nyalábmérésekből származik. Élettartama 886 s. Gyenge kölcsönhatással bomlik:

$n\to p+e+{\overline {\nu }}_{e}$

Mágneses momentuma -1,91 magmagneton. Az erős kölcsönhatásnak mind az időtükrözési, mind a paritás invarianciája miatt a neutron elektromos dipólmomentumának nullának kell lennie. A mérések csak egy felső határértéket állítottak fel: 0,63×10·10⁻²³ e-cm. A négyzetes töltéssugarát alacsony energiájú elektron-neutron szórással lehet mérni: -,.116 fm².

A barionszám-megmaradás sérülése a neutron és antineutron közötti oszcilláció megjelenéséhez vezethet, aminek során a barionszám két egységgel változna. Nukleáris reaktorokból származó szabad neutronok, valamint magokban kötött neutronok vizsgálatával egy oszcilláció periódusidejére alsó határul 1.3×10⁸ másodperc, azaz mintegy 40 év adódott. A protonéhoz képest sokkal gyengébb határ a megfigyelés nehézségeivel magyarázható.

Izospin

A proton és a neutron a töltésüktől eltekintve rendkívül hasonló tulajdonságokkal rendelkező részecskék. Heisenberg ezt megmagyarázandó bevezetett egy belső kvantumszámot, az izospint, ami az erős kölcsönhatás során megmaradó mennyiség. Az elektromágneses kölcsönhatás sérti, hiszen a két részecske töltése nem ugyanaz.

Miután két komplex állapotfüggvény közötti szimmetriával definiáljuk, ezért SU(2)-szimmetriáról van szó, amit SU(2)_I-vel szoktunk jelölni. Az algebrája ugyanaz tehát, mint a spiné, a nevét erről kapta, de egyébként semmi köze hozzá.

Az izospin harmadik komponense (I₃) jelenik meg a Gell-Mann-Nishijima összefüggésben, ami az elektromágneses kölcsönhatásban megmarad. A gyenge kölcsönhatás nem őrzi meg sem az izospint, sem a harmadik komponensét.

Antinukleonok

A CPT-szimmetria nagyon szoros feltételt szab a részecskék és antirészecskék tulajdonságainak kapcsolatára. Például a töltésnek és minden töltésjellegű kvantumszámnak (például barionszám) a -1-szeresüknek kell lenniük a megfelelő antirészecskékre (protonra ezt 10⁻⁸ pontosságig ellenőrizték). A tömegük (proton-antiproton) egyenlőségét is 10⁻⁸ pontossággal igazolták. Antiprotonokat Penning-csapdában tartva a töltés-tömeg hányadosuk egyenlőségét 90·10⁻¹² pontossággal tesztelték. A mágneses momentumok összehasonlítása (ezek ellentétes előjelűek) 8·10⁻³ magmagneton pontossággal sikerült. A neutron-antineutron rendszerre a tömegek 9·10⁻⁵ pontossággal ugyanazok.

Források

• Musulmanbekov, G. (2016. február 5.). „Deformed nucleon, vorticity and proton spin”. Journal of Physics: Conference Series 678, 012006. o, Kiadó: IOP Publishing. DOI:10.1088/1742-6596/678/1/012006. ISSN 1742-6588.  
• Fényes. Atommagfizika II. : részecskék és kölcsönhatásaik : [egyetemi tankönyv (lett nyelven). Debreceni Egyetemi Kiado (2013). ISBN 978-963-318-397-7. OCLC 922687784  83 - 123.o.
• Eichten, EJ (1992. április 1.). „Flavor asymmetry in the light-quark sea of the nucleon.”. Physical review. D, Particles and fields 45 (7), 2269–2275. o. ISSN 0556-2821. PMID 10014609.