हैड्रान

कण भौतिकी में हैड्रॉन (ἁδρός; मोटा) संयुक्त उप-परमाण्विक कण है जो दो या दो से अधिक क्वार्क से बंधी अवस्था मेसन मजबूत अंतःक्रिया द्वारा बना होता है। वे अणुओं के समान हैं जो विद्युत चुंबकत्व द्वारा एक साथ बंधे होते हैं। साधारण पदार्थ का अधिकांश द्रव्यमान दो हैड्रोन से आता है प्रोटॉन और न्यूट्रॉन, जबकि न्यूक्लियॉन का अधिकांश द्रव्यमान उनके घटक क्वार्क की बाध्यकारी ऊर्जा के कारण, मजबूत बल के कारण होता है।

हैड्रोन को दो व्यापक वर्गों में वर्गीकृत किया गया है: बेरिऑन, क्वार्क की विषम संख्या (सामान्यतः तीन क्वार्क) और मेसॉन, क्वार्क की समान संख्या (सामान्यतः दो क्वार्क, क्वार्क और एंटीपार्टिकल) से बना है। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन (जो परमाणु के द्रव्यमान का अधिकांश भाग बनाते हैं) बेरिऑन के उदाहरण हैं; पियोन मेसन का उदाहरण हैं। हाल के वर्षों में तीन से अधिक वैलेंस क्वार्क युक्त विदेशी हैड्रोन की खोज की गई है। टेट्राक्वार्क स्थिति ( विदेशी मेसन), जिसे Z(4430) नाम दिया गया है, 2007 में बेले प्रयोग द्वारा खोजा गया था और एलएचसी-बी सहयोग द्वारा 2014 में अनुनाद के रूप में पुष्टि की गई। दो पेंटाक्वार्क स्थितिों (विदेशी बेरोन), नामित P$+ c$(4380) और P$+ c$(4450), 2015 में एलएचसी-बी सहयोग द्वारा खोजे गए थे। कई और विदेशी हैड्रॉन उम्मीदवार और अन्य रंग-एकल क्वार्क संयोजन भी उपस्थित हो सकते हैं।

माना जाता है कि लगभग सभी मुक्त हैड्रॉन और एंटीहैड्रॉन (अर्थात, अलगाव में और परमाणु नाभिक के अन्दर बंधे नहीं है) अंततः अन्य कणों में क्षय हो जाता है। एकमात्र ज्ञात संभावित अपवाद मुक्त प्रोटॉन है, जो प्रोटॉन का क्षय होता है, या कम से कम, क्षय होने में अत्यधिक समय लेता है (1034+ का क्रम) वर्ष तुलना के माध्यम से, मुक्त न्यूट्रॉन क्षय हैं सबसे लंबे समय तक रहने वाले अस्थिर कण, और लगभग 879 सेकंड के आधे जीवन के साथ क्षय होते हैं। प्रायोगिक रूप से, हैड्रॉन भौतिकी का अध्ययन हैड्रॉन्स से टकराकर किया जाता है, उदा। प्रोटॉन, एक दूसरे के साथ या उच्च-ऊर्जा परमाणु भौतिकी घने, भारी तत्वों के नाभिक, जैसे कि सीसा या सोना, और उत्पादित कण वर्षा में मलबे का पता लगाना। इसी तरह की प्रक्रिया प्राकृतिक वातावरण में, अत्यधिक ऊपरी-वातावरण में होती है, जहां बाहरी वातावरण में दुर्लभ गैस कणों के साथ ब्रह्मांडीय किरणों के टकराव से म्यूऑन और मेसॉन जैसे कि पियोन उत्पन्न होते हैं।

शब्दावली और व्युत्पत्ति
हैड्रॉन शब्द नया ग्रीक शब्द है जिसे लेव बी. ओकुन एल.बी. ओकुन और सीईआरएन में उच्च ऊर्जा भौतिकी पर 1962 के अंतर्राष्ट्रीय सम्मेलन में पूर्ण वार्ता में उन्होंने नए श्रेणी शब्द की परिभाषा के साथ अपनी बात प्रारंभ की:

इस तथ्य के अतिरिक्त कि यह रिपोर्ट कमजोर अंतःक्रियाओं से संबंधित है, हमें अधिकांशतः प्रबल अंतःक्रिया करने वाले कणों की बात करनी होगी। ये कण न केवल कई वैज्ञानिक समस्याएँ उत्पन करते हैं, किन्तु एक पारिभाषिक समस्या भी हैं। उद्देश्य यह है कि "दृढ़ता से परस्पर क्रिया करने वाले कण" बहुत ही भद्दा शब्द है जो विशेषण के गठन के लिए स्वयं को नहीं देता है। इस कारण से, केवल उदाहरण लेने के लिए, दृढ़ता से परस्पर क्रिया करने वाले कणों को "गैर-लेप्टोनिक" कहा जाता है। यह परिभाषा सही नहीं है क्योंकि "गैर-लेप्टोनिक" भी फोटोनिक का संकेत दे सकता है। इस रिपोर्ट में मैं दृढ़ता से परस्पर क्रिया करने वाले कणों को "हैड्रोन" कहूंगा, और संबंधित क्षय "हैड्रोनिक" (ग्रीक ἁδρός का अर्थ "बड़ा", "विशाल", λεπτός के विपरीत है जिसका अर्थ है "छोटा", "प्रकाश")। मुझे आशा है कि यह शब्दावली सुविधाजनक सिद्ध होगी। एलबी ओकुन (1962)

गुण
क्वार्क मॉडल के अनुसार हैड्रोन के गुण मुख्य रूप से उनके तथाकथित वैलेंस क्वार्क द्वारा निर्धारित होते हैं। उदाहरण के लिए, एक प्रोटॉन दो ऊपर क्वार्क (प्रत्येक विद्युत आवेश $+ 2/3$, के साथ) से बना होता है, कुल मिलाकर +$4/3$ के लिए एक साथ) और डाउन क्वार्क (विद्युत आवेश के साथ $− 1/3$) से बना होता है। इन्हें एक साथ जोड़ने से +1 का प्रोटॉन आवेश प्राप्त होता है। चूँकि क्वार्क में रंग आवेश भी होता है, रंग परिरोध नामक घटना के कारण हैड्रॉन का कुल रंग आवेश शून्य होना चाहिए। यानी हैड्रोन रंगहीन या सफेद होना चाहिए। ऐसा होने का सबसे सरल विधि रंग के क्वार्क और संबंधित एंटीकलर के एंटीपार्टिकल या अलग-अलग रंगों के तीन क्वार्क हैं। पहली व्यवस्था वाले हैड्रॉन एक प्रकार के मेसन हैं, और दूसरी व्यवस्था वाले एक प्रकार के बेरोन हैं।

बड़े पैमाने पर वर्चुअल ग्लून्स, हैड्रोन के अंदर कणों के विशाल बहुमत के साथ-साथ इसके द्रव्यमान के प्रमुख घटक (भारी आकर्षण क्वार्क और निचला क्वार्क के अपवाद के साथ; शीर्ष क्वार्क लुप्त हो जाता है इससे पहले कि यह हैड्रोन में बंधने का समय हो) मजबूत बल ग्लून्स की ताकत जो क्वार्क को एक साथ बांधती है उसमें पर्याप्त ऊर्जा ($E$) होती है बड़े पैमाने पर ($m$) क्वार्क $E$ ≥ $mc$2 अनुनादों से बना है परिणाम यह है कि आभासी कण क्वार्क और एंटीक्वार्क के अल्पकालिक जोड़े हैड्रोन के अंदर लगातार बना रहे हैं और फिर से लुप्त हो रहे हैं। क्योंकि आभासी क्वार्क स्थिर तरंग पैकेट (क्वांटा) नहीं हैं, किन्तु अनियमित और क्षणिक घटना है, यह पूछना सार्थक नहीं है कि कौन सा क्वार्क वास्तविक है और कौन सा आभासी; हेड्रोन के रूप में बाहर से केवल थोड़ी अधिकता ही दिखाई देती है। इसलिए, जब हैड्रॉन या एंटी-हैड्रोन को (सामान्यतः) 2 या 3 क्वार्क से मिलकर कहा जाता है, तो यह तकनीकी रूप से क्वार्क बनाम एंटीक्वार्क की निरंतर अधिकता को संदर्भित करता है।

सभी उप-परमाण्विक कणों की तरह, हैड्रोन को पॉइनकेयर समूह के प्रतिनिधित्व सिद्धांत के अनुरूप क्वांटम संख्याएँ दी गई हैं: $JPC$($m$), जहाँ $J$ प्रचक्रण (भौतिकी) क्वांटम संख्या है, $P$ आंतरिक समता (या समता (भौतिकी) P-समता), $C$ आवेश संयुग्मन (या C-समता), और $m$ कण का द्रव्यमान है। ध्यान दें कि हैड्रोन के द्रव्यमान का उसके वैलेंस क्वार्क के द्रव्यमान से बहुत कम लेना-देना है; किन्तु, द्रव्यमान-ऊर्जा तुल्यता के कारण, अधिकांश द्रव्यमान मजबूत अंतःक्रिया से जुड़ी बड़ी मात्रा में ऊर्जा से आता है। हैड्रोन में समभारिक प्रचक्रण (G समता), और अजीबता जैसे स्वाद क्वांटम संख्या भी हो सकती है। सभी क्वार्क में एक योज्य, संरक्षित क्वांटम संख्या होती है जिसे बेरिऑन संख्या कहा जाता है ($B$), जो है क्वार्क के लिए $+ 1/3$ और एंटीक्वार्क के लिए $− 1/3$ है इसका अर्थ यह है कि बेरिऑन (तीन, पांच या अधिक विषम संख्या में क्वार्क से बने मिश्रित कण) होते हैं $B$ = 1 जबकि मेसन के पास है $B$ = 0 होता है।

हैड्रोन में उत्साहित अवस्थाएँ होती हैं जिन्हें अनुनाद (कण भौतिकी) के रूप में जाना जाता है। प्रत्येक जमीनी अवस्था हैड्रॉन में कई उत्तेजित अवस्थाएँ हो सकती हैं प्रयोगों में कई सैकड़ों अनुनाद देखे गए हैं। मजबूत परमाणु बल के माध्यम से अनुनाद बहुत जल्दी (लगभग 10$−24$ सेकंड के अन्दर) क्षय हो जाते हैं।

पदार्थ के दूसरे चरण (पदार्थ) में हैड्रॉन लुप्त हो सकते हैं। उदाहरण के लिए, बहुत उच्च तापमान और उच्च दबाव पर, जब तक कि क्वार्क के पर्याप्त रूप से कई स्वाद न हों, क्वांटम क्रोमोडायनामिक्स (क्यूसीडी) का सिद्धांत भविष्यवाणी करता है कि क्वार्क और ग्लून्स अब हैड्रोन के अन्दर सीमित नहीं रहेंगे, क्योंकि मजबूत अंतःक्रिया युग्मन का युग्मन स्थिरांक निरंतर रनिंग कपलिंग। यह प्रॉपर्टी, जिसे स्पर्शोन्मुख स्वतंत्रता के रूप में जाना जाता है, की प्रयोगात्मक रूप से 1 GeV (गीगाइलेक्ट्रॉन वोल्ट) और 1 TeV (टेराइलेक्ट्रॉनवोल्ट) के बीच ऊर्जा सीमा में पुष्टि की गई है। प्रोटॉन एंटीप्रोटोन को छोड़कर सभी मुक्त हैड्रोन अस्थिर हैं।

बेरियन्स
बेरिऑन हैड्रोन होते है जिनमे विषम संख्या में वैलेंस क्वार्क (कम से कम 3) होते हैं। प्रोटॉन और न्यूट्रॉन जैसे सबसे प्रसिद्ध बेरोन में तीन वैलेंस क्वार्क होते हैं, लेकिन पांच क्वार्क वाले पेंटाक्वार्क - अलग-अलग रंगों के तीन क्वार्क, और एक अतिरिक्त क्वार्क-एंटीक्वार्क जोड़ी भी उपस्थित हैं। क्योंकि बेरिऑन में विषम संख्या में क्वार्क होते हैं, वे सभी फ़र्मियन भी होते हैं, अर्थात, उनके पास आधा-पूर्णांक स्पिन (भौतिकी) होता है। चूंकि क्वार्क में बेरिऑन संख्या B =$1/3$ होती है $1/3$, बेरिऑन की बेरिऑन संख्या B = 1 है। पेंटाक्वार्क में भी B = 1 है, क्योंकि अतिरिक्त क्वार्क और एंटीक्वार्क की बेरिऑन संख्या रद्द हो जाती है।

प्रत्येक प्रकार के बैरोन में संबंधित एंटीपार्टिकल (एंटीबैरियोन) होता है जिसमें क्वार्क को उनके संबंधित एंटीक्वार्क द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। उदाहरण के लिए, जिस तरह प्रोटॉन दो अप-क्वार्क और डाउन-क्वार्क से बना होता है, उसी तरह इसका एंटीपार्टिकल, एंटीप्रोटोन, दो अप-एंटीक्वार्क और डाउन-एंटीक्वार्क से बना होता है।

अगस्त 2015 तक, दो ज्ञात पेंटाक्वार्क हैं, P$+ c$(4380) और P$+ c$(4450), दोनों की खोज 2015 में एलएचसीबी सहयोग द्वारा की गई थी।

मेसन्स
मेसॉन हैड्रोन होते हैं जिनमें संयोजकता क्वार्क की सम संख्या होती है (कम से कम 2)। अधिकांश प्रसिद्ध मेसॉन क्वार्क-एंटीक्वार्क जोड़ी से बने होते हैं, लेकिन संभावित टेट्राक्वार्क (4 क्वार्क) और हेक्साक्वार्क (6 क्वार्क, जिसमें या तो डिबेरियन या तीन क्वार्क-एंटीक्वार्क जोड़े होते हैं) की खोज की जा सकती है और उनकी प्रकृति की पुष्टि करने के लिए जांच की जा रही है। कई अन्य काल्पनिक प्रकार के विदेशी मेसन उपस्थित हो सकते हैं जो वर्गीकरण के क्वार्क मॉडल के अंतर्गत नहीं आते हैं। इनमें गोंदबॉल हाइब्रिड मेसन (उत्तेजित ग्लून्स द्वारा बंधे मेसॉन) सम्मिलित हैं।

क्योंकि मेसॉन में क्वार्क की संख्या सम होती है, वे सभी पूर्णांक स्पिन (भौतिकी), किन्तु 0, +1, या -1 के साथ बोसोन भी होते हैं। इनके पास बेरिऑन संख्या होती है $B = 1⁄3 − 1⁄3 = 0$. सामान्यतः कण भौतिकी प्रयोगों में उत्पादित मेसन के उदाहरणों में पियोन और काओन सम्मिलित हैं। अवशिष्ट मजबूत बल के माध्यम से पियोन परमाणु नाभिक को साथ रखने में भी भूमिका निभाते हैं।