W połowie XX wieku w fizyce pojawiło się pojęcie „cząstkowego zoo”, oznaczające różnorodne elementarne składniki materii, z którymi zetknęli się naukowcy po stworzeniu wystarczająco potężnych akceleratorów. Jednym z najliczniejszych mieszkańców „zoo” były obiekty zwane mezonami. Ta rodzina cząstek, wraz z barionami, należy do dużej grupy hadronów. Ich badania umożliwiły penetrację głębszego poziomu struktury materii i przyczyniły się do uporządkowania wiedzy na jej temat we współczesnej teorii cząstek i oddziaływań fundamentalnych – Modelu Standardowym.
Historia odkryć
Na początku lat 30., po wyjaśnieniu składu jądra atomowego, pojawiło się pytanie o naturę sił, które zapewniły jego istnienie. Było jasne, że oddziaływanie wiążące nukleony musi być niezwykle intensywne i odbywać się poprzez wymianę pewnych cząstek. Obliczenia wykonane w 1934 roku przez japońskiego teoretyka H. Yukawę wykazały, że obiekty te są 200–300 razy większe od masy elektronu iodpowiednio kilka razy gorszy od protonu. Później otrzymali nazwę mezonów, co po grecku oznacza „środek”. Jednak ich pierwsze bezpośrednie wykrycie okazało się „niewypałem” ze względu na bliskość mas bardzo różnych cząstek.
W 1936 roku w promieniowaniu kosmicznym odkryto obiekty (nazywano je mezonami mu) o masie odpowiadającej wyliczeniom Yukawy. Wydawało się, że znaleziono poszukiwany kwant sił jądrowych. Ale potem okazało się, że mezony mu są cząstkami niezwiązanymi z oddziaływaniami wymiennymi między nukleonami. Wraz z elektronem i neutrinem należą one do innej klasy obiektów w mikrokosmosie - leptonów. Cząstki zostały przemianowane na miony i poszukiwania kontynuowano.
Kwanty Yukawy odkryto dopiero w 1947 roku i nazwano je "mezonami pi" lub pionami. Okazało się, że naładowany elektrycznie lub obojętny mezon pi jest rzeczywiście cząstką, której wymiana umożliwia współistnienie nukleonów w jądrze.
Struktura mezonowa
Niemal natychmiast stało się jasne: piwonie przybyły do „cząstkowego zoo” nie same, ale z licznymi krewnymi. Jednak to ze względu na liczbę i różnorodność tych cząstek można było ustalić, że są to kombinacje niewielkiej liczby obiektów fundamentalnych. Takimi elementami strukturalnymi okazały się kwarki.
Mezon jest stanem związanym kwarka i antykwarka (połączenie realizowane jest za pomocą kwantów oddziaływania silnego - gluonów). „Silny” ładunek kwarka to liczba kwantowa, potocznie nazywana „kolorem”. Jednak wszystkie hadronya mezony wśród nich są bezbarwne. Co to znaczy? Mezon może składać się z różnych typów kwarków i antykwarków (lub, jak to się mówi, smaków, „smaków”), ale zawsze łączy w sobie kolor i antykolor. Na przykład π+-mezon jest tworzony przez parę kwark u - anty-kwark d (ud̄), a kombinacja ich ładunków kolorowych może być niebieska - anty- niebieski”, „czerwony - anty-czerwony” lub zielono-anty-zielony. Wymiana gluonów zmienia kolor kwarków, podczas gdy mezon pozostaje bezbarwny.
Kwarki starszych pokoleń, takie jak s, c i b, nadają odpowiedni smak mezonom, które tworzą - obcość, urok i urok, wyrażane przez ich własne liczby kwantowe. Całkowity ładunek elektryczny mezonu składa się z ułamkowych ładunków cząstek i antycząstek, które go tworzą. Oprócz tej pary, zwanej kwarkami walencyjnymi, mezon zawiera wiele („morskich”) wirtualnych par i gluonów.
Mezony i siły podstawowe
Mezony, a raczej kwarki, które je tworzą, uczestniczą we wszystkich rodzajach oddziaływań opisanych przez Model Standardowy. Intensywność oddziaływania jest bezpośrednio związana z symetrią wywołanych przez nią reakcji, czyli z zachowaniem pewnych wielkości.
Procesy słabe są najmniej intensywne, zachowują energię, ładunek elektryczny, pęd, moment pędu (spin) – innymi słowy działają tylko symetrie uniwersalne. W oddziaływaniu elektromagnetycznym zachowane są również liczby kwantowe parzystości i zapachu mezonów. Są to procesy, które odgrywają ważną rolę w reakcjachrozpad.
Oddziaływanie silne jest najbardziej symetryczne, przy zachowaniu innych wielkości, w szczególności izospinu. Odpowiada za zatrzymywanie nukleonów w jądrze poprzez wymianę jonową. Emitując i pochłaniając naładowane mezony pi, proton i neutron ulegają wzajemnym przekształceniom, a podczas wymiany obojętnej cząstki każdy z nukleonów pozostaje sobą. Jak można to przedstawić na poziomie kwarków, pokazano na poniższym rysunku.
Oddziaływanie silne reguluje również rozpraszanie mezonów przez nukleony, ich wytwarzanie w zderzeniach hadronów i inne procesy.
Co to jest kwarkoniu
Połączenie kwarku i antykwarku o tym samym smaku nazywa się kwarkonią. Termin ten jest zwykle stosowany do mezonów zawierających masywne kwarki c i b. Niezwykle ciężki t-kwark w ogóle nie ma czasu na wejście w stan związany, natychmiast rozpadając się na lżejsze. Kombinacja cc̄ nazywana jest charmonium lub cząsteczką z ukrytym urokiem (J/ψ-mezon); kombinacja bb̄ to bottomonium, które ma ukryty urok (Υ-mezon). Oba charakteryzują się obecnością wielu stanów rezonansowych - wzbudzonych.
Cząstki utworzone przez lekkie składniki - uū, dd̄ lub ss̄ - są superpozycją (superpozycją) smaków, ponieważ masy tych kwarków mają zbliżoną wartość. Zatem neutralny mezon π0 jest superpozycją stanów uū i dd̄, które mają ten sam zbiór liczb kwantowych.
Niestabilność mezonów
Połączenie cząstek i antycząstek powodujeże życie każdego mezonu kończy się ich unicestwieniem. Czas życia zależy od tego, która interakcja kontroluje rozpad.
- Mezony, które rozpadają się przez kanał "silnej" anihilacji, powiedzmy, na gluony z późniejszym narodzinami nowych mezonów, nie żyją bardzo długo - 10-20 - 10 - 21 str. Przykładem takich cząstek jest kwarkonia.
- anihilacja elektromagnetyczna jest również dość intensywna: czas życia mezonu π0, którego para kwark-antykwark anihiluje na dwa fotony z prawdopodobieństwem prawie 99%, wynosi około 8 ∙ 10 -17 s.
- Słaba anihilacja (rozpad na leptony) przebiega ze znacznie mniejszą intensywnością. Tak więc naładowany pion (π+ – ud̄ – lub π- – dū) żyje dość długo – średnio 2,6 ∙ 10-8 s i zwykle rozpada się na mion i neutrino (lub odpowiednie antycząstki).
Większość mezonów to tak zwane rezonanse hadronowe, krótkotrwałe (10-22 – 10-24 c) zjawiska, które występują w pewnych zakresach wysokich energii, podobnych do wzbudzonych stanów atomu. Nie są one rejestrowane na detektorach, ale obliczane na podstawie bilansu energetycznego reakcji.
Spin, orbitalny pęd i parzystość
W przeciwieństwie do barionów, mezony są cząstkami elementarnymi o całkowitej liczbie spinowej (0 lub 1), czyli są bozonami. Kwarki są fermionami i mają półliczbowy spin ½. Jeżeli momenty pędu kwarka i antykwarka są równoległe, to ichsuma - spin mezonu - jest równa 1, jeśli jest antyrównoległa, będzie równa zero.
Ze względu na wzajemną cyrkulację pary składników mezon posiada również orbitalną liczbę kwantową, która wpływa na jego masę. Orbitalny moment pędu i spin określają całkowity moment pędu cząstki, związany z pojęciem przestrzennej lub P-parzystości (pewna symetria funkcji falowej względem odwrócenia lustra). Zgodnie z kombinacją spinu S i wewnętrznej (związanej z własnym układem odniesienia cząstki) P-parzystości rozróżnia się następujące typy mezonów:
- pseudoskalarny - najlżejszy (S=0, P=-1);
- wektor (S=1, P=-1);
- skalarny (S=0, P=1);
- pseudowektor (S=1, P=1).
Ostatnie trzy typy to bardzo masywne mezony, które są stanami wysokoenergetycznymi.
Symetrie izotopowe i unitarne
Do klasyfikacji mezonów wygodnie jest użyć specjalnej liczby kwantowej - spinu izotopowego. W silnych procesach cząstki o tej samej wartości izospinowej uczestniczą symetrycznie, niezależnie od ich ładunku elektrycznego i mogą być reprezentowane jako różne stany ładunku (rzuty izospinowe) jednego obiektu. Zbiór takich cząstek, które mają bardzo zbliżoną masę, nazywamy izomultipletą. Na przykład izotryplet pionu obejmuje trzy stany: π+, π0 i π--mezon.
Wartość izospinu jest obliczana ze wzoru I=(N–1)/2, gdzie N jest liczbą cząstek w multiplecie. Zatem izospin pionu jest równy 1, a jego rzuty Iz w specjalnym ładunkuspacje to odpowiednio +1, 0 i -1. Cztery dziwne mezony - kaony - tworzą dwa izodublety: K+ i K0 z izospinem +½ i dziwnością +1 oraz dubletem antycząstek K- i K̄0, dla których wartości te są ujemne.
Ładunek elektryczny hadronów (w tym mezonów) Q jest związany z projekcją izospinową Iz i tak zwanym hiperładowaniem Y (suma liczby barionowej i wszystkich smaków liczby). Zależność tę wyraża wzór Nishijimy-Gell-Manna: Q=Iz + Y/2. Oczywiste jest, że wszyscy członkowie jednego multipletu mają ten sam hiperładunek. Liczba barionowa mezonów wynosi zero.
Następnie mezony są grupowane z dodatkowym spinem i parzystością w supermultiplety. Osiem pseudoskalarnych mezonów tworzy oktet, cząstki wektorowe tworzą nonnet (dziewięć) i tak dalej. Jest to przejaw symetrii wyższego poziomu zwanej unitarną.
Mezony i poszukiwanie nowej fizyki
Obecnie fizycy aktywnie poszukują zjawisk, których opisanie doprowadziłoby do rozszerzenia Modelu Standardowego i wyjścia poza niego poprzez budowę głębszej i ogólniejszej teorii mikroświata - Nowej Fizyki. Zakłada się, że Model Standardowy wprowadzi go jako graniczny przypadek o niskiej energii. W tych poszukiwaniach ważną rolę odgrywa badanie mezonów.
Szczególnie interesujące są mezony egzotyczne - cząstki o strukturze, która nie mieści się w ramach zwykłego modelu. Tak więc w Wielkim HadronieZderzacz w 2014 r. potwierdził tetrakwark Z(4430), stan związany dwóch par kwark-antykwark ud̄cc̄, pośredni produkt rozpadu pięknego mezonu B. Te rozpady są również interesujące z punktu widzenia możliwego odkrycia hipotetycznej nowej klasy cząstek - leptokwarków.
Modele przewidują również inne egzotyczne stany, które powinny być zaklasyfikowane jako mezony, ponieważ uczestniczą w silnych procesach, ale mają zerową liczbę barionową, takie jak kule gluonowe, utworzone tylko przez gluony bez kwarków. Wszystkie takie obiekty mogą znacząco uzupełnić naszą wiedzę o naturze oddziaływań fundamentalnych i przyczynić się do dalszego rozwoju fizyki mikroświata.
