Class 5 - The Quark Model
• Quarks • Mesons - Quark/Antiquark Combinations • Baryons - Three Quark Combinations • Antiparticles • Spin Considerations • Color • Experimental Evidence for Quarks
1 Birth of the Quark Model
• In 1964, Murray Gell-Mann and George Zweig inde- pendently developed a theory that would explain all the hadrons • Model based on 3 constituent particles, all with spin 1 of 2 and baryon number of 1/3 • Gell-Mann named them quarks • Quarks come in three flavors
Name Symbol Charge Strangeness up u +2/3 0 down d -1/3 0 strange s -1/3 -1 antiup u -2/3 0 antidown d +1/3 0 antistrange s +1/3 +1
2 Mesons
• Mesons are quark/antiquark combinations
Combination Charge Strangeness Meson uu 0 0 π0, η0, η00 dd 0 0 π0, η0, η00 ud -1 0 π− ud +1 0 π+ us +1 +1 K+ us -1 -1 K− ds 0 +1 K0 ds 0 -1 K0 ss 0 0 η00
3
Meson Diagram
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4 Baryons
• Baryons are three quark combinations
Combination Charge Strangeness Spin-1/2 Spin-3/2 Baryon Baryon uud 1 0 p ∆+ udd 0 0 n ∆0 uuu 2 0 ∆++ ddd -1 0 ∆− uus 1 -1 Σ+ Σ+∗ uds 0 -1 Λ, Σ0 Σ0∗ dds -1 -1 Σ− Σ−∗ uss 0 -2 Ξ0 Ξ0∗ dss -1 -2 Ξ− Ξ−∗ sss -1 -3 Ω−
5 1
Spin-2 Baryons
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7 Eightfold Way
• The patterns displayed by the strangeness versus charge 1 diagrams for the mesons, spin-2 baryons, and spin- 3/2 baryons were part of a theory called the Eightfold Way developed in 1961 − • This theory predicted the existence of the Ω − • The Ω was discovered at Brookhaven National Lab in 1963
8 Antiparticles
• An antiparticle contains the antiquarks of the quarks in the corresponding particle • The neutron and the antineutron
– n =udd
– n = udd
• The positive pion and the negative pion + – π = ud − – π = ud
• The neutral pion is its own antiparticle 0 – π = uu or dd 0 – π = uu or dd
9 Spin Considerations
• The internal spin states of the quarks distinguishes different baryons made up of the same three quarks 0 • For example, the Λ and Σ both have a quark content of uds
u d u d
s s
Λ Σ 0
10 Color
• Color is another property of quarks • The different flavors of quarks come in three different colors - red, green, and blue • Color was originally proposed to allow for the Pauli Exclusion Principle to be obeyed in the case of the Ω−
• Pauli Exclusion Principle states that spin-1/2 particles that are identical can not exist in the same entity − • The Ω is made of three s quarks • If the Pauli Principle is to be obeyed, the s quarks in the Ω− must have some property that distinguishes them from each other • The color theory is called quantum chromodynamics
11 Experimental Evidence for Quarks
• A free quark has never been detected • However, there is compelling evidence that quarks exist • In the 1970s, electron scattering from the proton gave results analogous to Rutherford’s experiments • The distributions of the scattered electrons were con- sistent with the quark model of the proton • The experiments were able to show that the proton is composed of three spin-1/2 particles, two with charges of +2/3 and one with a charge of -1/3 • Later experiments have yielded evidence for the exis- tence of gluons inside protons, supporting the theory that they are the carriers of the strong force
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