Барионное число — 1/4. Три лучше двух?

Обычные адроны делятся на два царства — барионы и мезоны. Барионы имеют три валентных кварка, а мезоны — кварк и антикварк. Мезоны живут ярко, но скоротечно. Например, нейтральный пион живёт около 10⁻¹⁶ секунды и распадается на два фотона.

А вот протон, один из положительных представителей барионного царства, насколько мы знаем, стабилен. Логично ли из этого сделать вывод, что система из трёх кварков стабильнее системы из кварка и антикварка?

Посмотрим на другие барионы. Нейтрон живёт почти 15 минут. По меркам мира элементарных частиц он тоже долгожитель. А вот Λ⁰-гиперон живёт всего около 2.6×10⁻¹⁰ секунды. Многие возбуждённые состояния барионов распадаются за характерное время сильного взаимодействия, около 10⁻²³ секунды. И это всё системы с тремя валентными кварками.

Значит, стабильность протона определяется не тем, насколько прочно три кварка связаны друг с другом. Чем же?

У кварков есть квантовое число, которое называется барионным. Каждому кварку приписывается B = 1/3, антикварку B = −1/3. Поэтому у мезона B = 0, а у обычного бариона B = 1.

Если барионное число сохраняется, протон оказывается в особом положении. Он — самый лёгкий барион. Чтобы распасться, он должен оставить после себя что-нибудь с B = 1, то есть другой барион. Но любой другой барион тяжелее протона. Поэтому протон просто не может распасться.

Нейтрон тяжелее протона, и для него возможен распад на протон, электрон и электронное антинейтрино. Барионное число при этом никуда не делось: было 1 и осталось 1.

Стабильность протона следует из закона сохранения барионного числа.

Вопрос на миллион: а почему барионное число вообще сохраняется?

1 • 2 • 3 • 4