I mitten av 1900-talet dök begreppet "partikelzoo" upp i fysiken, vilket betyder en mängd olika elementära beståndsdelar av materia, som forskare stötte på efter att tillräckligt kraftfulla acceleratorer skapats. En av de mest talrika invånarna i "zoo" var föremål som kallas mesoner. Denna familj av partiklar, tillsammans med baryoner, ingår i den stora gruppen hadroner. Deras studie gjorde det möjligt att penetrera till en djupare nivå av materiens struktur och bidrog till att ordna kunskap om den i den moderna teorin om fundamentala partiklar och interaktioner - Standardmodellen.
Upptäcktshistorik
I början av 1930-talet, efter att sammansättningen av atomkärnan klargjorts, uppstod frågan om karaktären av de krafter som säkerställde dess existens. Det var tydligt att interaktionen som binder nukleoner måste vara extremt intensiv och utföras genom utbyte av vissa partiklar. Beräkningar utförda 1934 av den japanske teoretikern H. Yukawa visade att dessa objekt är 200–300 gånger större än elektronen i massa och,flera gånger sämre än protonen. Senare fick de namnet mesons, som på grekiska betyder "mitten". Men deras första direkta upptäckt visade sig vara en "feltändning" på grund av närheten till massorna av mycket olika partiklar.
År 1936 upptäcktes föremål (de kallades mu-mesons) med en massa som motsvarar Yukawas beräkningar i kosmiska strålar. Det verkade som om det eftersökta kvantumet av kärnkrafter hade hittats. Men så visade det sig att mu-mesoner är partiklar som inte är relaterade till utbytesinteraktionerna mellan nukleoner. De tillhör tillsammans med elektronen och neutrinon en annan klass av objekt i mikrokosmos - leptoner. Partiklarna döptes om till myoner och sökningen fortsatte.
Yukawa-kvantor upptäcktes först 1947 och kallades "pi-mesons", eller pioner. Det visade sig att en elektriskt laddad eller neutral pi-meson verkligen är partikeln vars utbyte tillåter nukleoner att samexistera i kärnan.
Mesonstruktur
Det blev klart nästan omedelbart: pionerna kom till "partikelzoo" inte ensamma, utan med många släktingar. Det var dock på grund av antalet och variationen av dessa partiklar som det var möjligt att fastställa att de är kombinationer av ett litet antal fundamentala objekt. Quarks visade sig vara sådana strukturella element.
Meson är ett bundet tillstånd av en kvark och en antikvark (kopplingen utförs med hjälp av kvanta av stark interaktion - gluoner). Den "starka" laddningen av en kvark är ett kvanttal, konventionellt kallat "färg". Dock alla hadroneroch mesonerna bland dem är färglösa. Vad betyder det? En meson kan bildas av en kvarg och en antikvark av olika typer (eller, som man säger, smaker, "smaker"), men den kombinerar alltid färg och antifärg. Till exempel, π+-meson bildas av ett par u-quark - anti-d-quark (ud̄), och kombinationen av deras färgladdningar kan vara "blå - anti- blå", "röd - anti-röd" eller grön-anti-grön. Utbytet av gluoner ändrar färgen på kvarkarna, medan mesonen förblir färglös.
Kvarkar av äldre generationer, som s, c och b, ger motsvarande smaker till mesonerna de bildar - konstighet, charm och charm, uttryckt av deras egna kvanttal. Heltalets elektriska laddning av mesonen består av delladdningarna av partiklarna och antipartiklarna som bildar den. Förutom detta par, som kallas valenskvarkar, inkluderar mesonen många (”havs”) virtuella par och gluoner.
Mesoner och fundamentala krafter
Mesoner, eller snarare kvarkarna som utgör dem, deltar i alla typer av interaktioner som beskrivs av standardmodellen. Intensiteten av interaktionen är direkt relaterad till symmetrin hos reaktionerna som orsakas av den, det vill säga till bevarandet av vissa kvantiteter.
Svaga processer är de minst intensiva, de sparar energi, elektrisk laddning, momentum, vinkelmomentum (spin) – med andra ord, bara universella symmetrier verkar. I den elektromagnetiska interaktionen bevaras även paritets- och smakkvantantal för mesoner. Det är dessa processer som spelar en viktig roll i reaktionernaförfall.
Den starka interaktionen är den mest symmetriska och bevarar andra kvantiteter, i synnerhet isospin. Det är ansvarigt för retentionen av nukleoner i kärnan genom jonbyte. Genom att sända ut och absorbera laddade pi-mesoner genomgår protonen och neutronen ömsesidiga transformationer, och under utbytet av en neutral partikel förblir var och en av nukleonerna sig själv. Hur detta kan representeras på kvarknivå visas i figuren nedan.
Den starka interaktionen styr också spridningen av mesoner av nukleoner, deras produktion i hadronkollisioner och andra processer.
Vad är quarkonium
Kombinationen av en kvarg och en antikvark med samma smak kallas quarkonia. Denna term används vanligtvis för mesoner som innehåller massiva c- och b-kvarkar. En extremt tung t-kvark hinner inte gå in i ett bundet tillstånd alls, förfaller omedelbart till lättare. Kombinationen cc̄ kallas charmonium, eller en partikel med dold charm (J/ψ-meson); kombinationen bb̄ är bottomonium, som har en dold charm (Υ-meson). Båda kännetecknas av närvaron av många resonanta - exciterade - tillstånd.
Partiklar som bildas av lätta komponenter - uū, dd̄ eller ss̄ - är en superposition (superposition) av smaker, eftersom massorna av dessa kvarkar är nära i värde. Således är den neutrala π0-mesonen en överlagring av tillstånden uū och dd̄, som har samma uppsättning kvanttal.
Meson-instabilitet
Kombinationen av partikel och antipartikel resulterar iatt livet för någon meson slutar i deras förintelse. Livslängden beror på vilken interaktion som styr förfallet.
- Mesoner som sönderfaller genom kanalen för "stark" förintelse, till exempel till gluoner med efterföljande födelse av nya mesoner, lever inte särskilt länge - 10-20 - 10 - 21 sid. Ett exempel på sådana partiklar är quarkonia.
- Den elektromagnetiska förintelsen är också ganska intensiv: livslängden för π0-mesonen, vars kvarka-antikvarkpar förintas till två fotoner med en sannolikhet på nästan 99 %, är ca. 8 ∙ 10 -17 s.
- Svag förintelse (förfall till leptoner) fortsätter med mycket mindre intensitet. Således lever en laddad pion (π+ – ud̄ – eller π- – dū) ganska länge – i genomsnitt 2,6 ∙ 10-8 s och sönderfaller vanligtvis till en myon och en neutrino (eller motsvarande antipartiklar).
De flesta mesoner är de så kallade hadronresonanserna, kortlivade (10-22 – 10-24 c) fenomen som förekommer i vissa högenergiområden, liknande atomens exciterade tillstånd. De registreras inte på detektorerna, utan beräknas utifrån reaktionens energibalans.
Spin, orbital momentum och paritet
Till skillnad från baryoner är mesoner elementarpartiklar med ett heltalsvärde av spinnumret (0 eller 1), det vill säga de är bosoner. Kvarkar är fermioner och har ett halvt heltals spin ½. Om momentum av en kvark och en antikvark är parallella, då derassumman - mesonspinn - är lika med 1, om den är antiparallell blir den lika med noll.
På grund av den ömsesidiga cirkulationen av ett par komponenter har mesonen också ett orbit alt kvantnummer, vilket bidrar till dess massa. Orbitalmomentet och spinn bestämmer det totala vinkelmomentet för partikeln, associerat med begreppet rumslig eller P-paritet (en viss symmetri av vågfunktionen med avseende på spegelinversion). I enlighet med kombinationen av spin S och intern (relaterad till partikelns egen referensram) P-paritet särskiljs följande typer av mesoner:
- pseudoskalär - den lättaste (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalär (S=0, P=1);
- pseudo-vektor (S=1, P=1).
De sista tre typerna är mycket massiva mesoner, som är högenergitillstånd.
Isotopiska och enhetliga symmetrier
För klassificeringen av mesoner är det bekvämt att använda ett speciellt kvantnummer - isotopspinn. I starka processer deltar partiklar med samma isospinvärde symmetriskt, oavsett deras elektriska laddning, och kan representeras som olika laddningstillstånd (isospinprojektioner) av ett objekt. En uppsättning av sådana partiklar, som är mycket nära i massa, kallas en isomultiplett. Till exempel inkluderar pionisotripletten tre tillstånd: π+, π0 och π--meson.
Värdet på isospin beräknas med formeln I=(N–1)/2, där N är antalet partiklar i multipletten. Således är isospin för en pion lika med 1, och dess projektioner Iz i en speciell laddningmellanslag är +1, 0 respektive -1. De fyra konstiga mesonerna - kaoner - bildar två isodubletter: K+ och K0 med isospin +½ och konstighet +1 och dubbletten av antipartiklar K- och K̄0, för vilka dessa värden är negativa.
Den elektriska laddningen av hadroner (inklusive mesoner) Q är relaterad till isospinprojektionen Iz och den så kallade hyperladdningen Y (summan av baryontalet och all smak tal). Detta förhållande uttrycks av Nishijima–Gell-Mann-formeln: Q=Iz + Y/2. Det är tydligt att alla medlemmar i en multiplett har samma hyperladdning. Baryontalet för mesoner är noll.
Sedan grupperas mesonerna med ytterligare spinn och paritet i supermultipletter. Åtta pseudoskalära mesoner bildar en oktett, vektorpartiklar bildar en nonet (nio) och så vidare. Detta är en manifestation av en symmetri på högre nivå som kallas enhetlig.
Mesons and the search for New Physics
Fysiker söker för närvarande aktivt efter fenomen, vars beskrivning skulle leda till expansionen av standardmodellen och att gå bortom den med konstruktionen av en djupare och mer allmän teori om mikrovärlden - New Physics. Det antas att standardmodellen kommer in i den som ett begränsande lågenergifall. I denna sökning spelar studiet av mesoner en viktig roll.
Av särskilt intresse är exotiska mesoner - partiklar med en struktur som inte passar in i den vanliga modellens ramverk. Så vid Stora HadronenCollider 2014 bekräftade Z(4430) tetraquark, ett bundet tillstånd av två ud̄cc̄ kvark-antikvarkpar, en mellanliggande sönderfallsprodukt av den vackra B-mesonen. Dessa sönderfall är också intressanta när det gäller den möjliga upptäckten av en hypotetisk ny klass av partiklar - leptoquarks.
Modeller förutsäger också andra exotiska tillstånd som bör klassificeras som mesoner, eftersom de deltar i starka processer, men har noll baryonnummer, såsom limbollar, som endast bildas av gluoner utan kvarkar. Alla sådana objekt kan avsevärt fylla på vår kunskap om naturen hos grundläggande interaktioner och bidra till vidareutvecklingen av mikrovärldens fysik.
