På midten av 1900-tallet dukket begrepet "partikkelzoo" opp i fysikken, som betyr en rekke elementære bestanddeler av materie, som forskerne møtte etter at tilstrekkelig kraftige akseleratorer ble opprettet. En av de mest tallrike innbyggerne i "zoo" var gjenstander k alt mesoner. Denne familien av partikler, sammen med baryoner, er inkludert i den store gruppen av hadroner. Studien deres gjorde det mulig å trenge inn til et dypere nivå av materiens struktur og bidro til å ordne kunnskap om den inn i den moderne teorien om fundamentale partikler og interaksjoner - Standardmodellen.
Oppdagelseshistorikk
På begynnelsen av 1930-tallet, etter at sammensetningen av atomkjernen var avklart, oppsto spørsmålet om arten av kreftene som sikret dens eksistens. Det var tydelig at interaksjonen som binder nukleoner må være ekstremt intens og utføres gjennom utveksling av visse partikler. Beregninger utført i 1934 av den japanske teoretikeren H. Yukawa viste at disse objektene er 200–300 ganger større enn elektronet i masse og,henholdsvis flere ganger lavere enn protonet. Senere fikk de navnet mesons, som på gresk betyr "midt". Deres første direkte deteksjon viste seg imidlertid å være en "feiltenning" på grunn av nærheten til massene av svært forskjellige partikler.
I 1936 ble gjenstander (de ble k alt mu-mesons) med en masse tilsvarende Yukawas beregninger oppdaget i kosmiske stråler. Det så ut til at det ettertraktede kvantumet av kjernefysiske krefter var funnet. Men så viste det seg at mu-mesons er partikler som ikke er relatert til utvekslingsinteraksjonene mellom nukleoner. De, sammen med elektronet og nøytrinoet, tilhører en annen klasse av objekter i mikrokosmos - leptoner. Partiklene ble omdøpt til myoner og søket fortsatte.
Yukawa-kvanter ble oppdaget først i 1947 og ble k alt "pi-mesons", eller pioner. Det viste seg at en elektrisk ladet eller nøytral pi-meson faktisk er partikkelen hvis utveksling lar nukleoner sameksistere i kjernen.
Mesonstruktur
Det ble klart nesten umiddelbart: peonene kom til "partikkelzoo" ikke alene, men med mange slektninger. Imidlertid var det på grunn av antallet og variasjonen av disse partiklene at det var mulig å fastslå at de er kombinasjoner av et lite antall grunnleggende objekter. Quarks viste seg å være slike strukturelle elementer.
Meson er en bundet tilstand av en kvark og en antikvark (forbindelsen utføres ved hjelp av kvanter av sterk interaksjon - gluoner). Den "sterke" ladningen til en kvark er et kvantetall, konvensjonelt k alt "farge". Imidlertid alle hadronerog mesoner blant dem er fargeløse. Hva betyr det? En meson kan dannes av en kvark og en antikvark av forskjellige typer (eller, som de sier, smaker, "smaker"), men den kombinerer alltid farge og antifarge. For eksempel er π+-meson dannet av et par u-kvark - anti-d-kvark (ud̄), og kombinasjonen av deres fargeladninger kan være "blå - anti- blå", "rød - anti-rød" eller grønn-anti-grønn. Utvekslingen av gluoner endrer fargen på kvarkene, mens mesonen forblir fargeløs.
Kvarker av eldre generasjoner, som s, c og b, gir tilsvarende smaker til mesonene de danner - fremmedhet, sjarm og sjarm, uttrykt ved deres egne kvantetall. Heltallets elektriske ladning til mesonen består av brøkladningene til partiklene og antipartiklene som danner den. I tillegg til dette paret, k alt valenskvarker, inkluderer mesonen mange («sjø») virtuelle par og gluoner.
Mesoner og grunnleggende krefter
Mesoner, eller rettere sagt kvarkene som utgjør dem, deltar i alle typer interaksjoner beskrevet av Standardmodellen. Intensiteten til interaksjonen er direkte relatert til symmetrien til reaksjonene forårsaket av den, det vil si til bevaringen av visse mengder.
Svake prosesser er minst intense, de sparer energi, elektrisk ladning, momentum, vinkelmomentum (spin) – med andre ord, bare universelle symmetrier virker. I den elektromagnetiske interaksjonen bevares også paritets- og smakskvantetallet til mesoner. Det er disse prosessene som spiller en viktig rolle i reaksjoneneforfall.
Den sterke interaksjonen er den mest symmetriske, og bevarer andre mengder, spesielt isospin. Det er ansvarlig for oppbevaring av nukleoner i kjernen gjennom ionebytting. Ved å sende ut og absorbere ladede pi-mesoner gjennomgår protonet og nøytronet gjensidige transformasjoner, og under utvekslingen av en nøytral partikkel forblir hver av nukleonene seg selv. Hvordan dette kan representeres på nivå med kvarker er vist i figuren nedenfor.
Det sterke samspillet styrer også spredningen av mesoner av nukleoner, deres produksjon i hadronkollisjoner og andre prosesser.
Hva er quarkonium
Kombinasjonen av en kvark og en antikvark med samme smak kalles quarkonia. Dette begrepet brukes vanligvis på mesoner som inneholder massive c- og b-kvarker. En ekstremt tung t-kvark har ikke tid til å gå inn i en bundet tilstand i det hele tatt, og forfaller øyeblikkelig til lettere. Kombinasjonen cc̄ kalles charmonium, eller en partikkel med skjult sjarm (J/ψ-meson); kombinasjonen bb̄ er bottomonium, som har en skjult sjarm (Υ-meson). Begge er preget av tilstedeværelsen av mange resonante - begeistrede - tilstander.
Partikler dannet av lette komponenter - uū, dd̄ eller ss̄ - er en superposisjon (superposisjon) av smaker, siden massene til disse kvarkene er nærme i verdi. Dermed er den nøytrale π0-mesonen en superposisjon av tilstandene uū og dd̄, som har samme sett med kvantetall.
Meson ustabilitet
Kombinasjonen av partikkel og antipartikkel resulterer iat livet til enhver meson ender i deres utslettelse. Levetiden avhenger av hvilken interaksjon som styrer forfallet.
- Mesoner som forfaller gjennom kanalen for "sterk" utslettelse, for eksempel til gluoner med påfølgende fødsel av nye mesoner, lever ikke særlig lenge - 10-20 - 10 - 21 s. Et eksempel på slike partikler er quarkonia.
- Elektromagnetisk utslettelse er også ganske intens: levetiden til π0-mesonen, hvis kvark-antikvark-par utslettes til to fotoner med en sannsynlighet på nesten 99 %, er ca. 8 ∙ 10 -17 s.
- Svak utslettelse (forfall til leptoner) fortsetter med mye mindre intensitet. Dermed lever en ladet pion (π+ – ud̄ – eller π- – dū) ganske lenge – i gjennomsnitt 2,6 ∙ 10-8 s og forfaller vanligvis til en myon og en nøytrino (eller de tilsvarende antipartikler).
De fleste mesoner er de såk alte hadronresonansene, kortvarige (10-22 – 10-24 c) fenomener som forekommer i visse høyenergiområder, lik atomets eksiterte tilstander. De registreres ikke på detektorene, men beregnes ut fra reaksjonens energibalanse.
Spinn, orbital momentum og paritet
I motsetning til baryoner er mesoner elementærpartikler med en heltallsverdi av spinntallet (0 eller 1), det vil si at de er bosoner. Kvarker er fermioner og har et halvt heltalls spinn ½. Hvis momentum av en kvark og en antikvark er parallelle, så deressummen - mesonspinn - er lik 1, hvis antiparallell vil den være lik null.
På grunn av den gjensidige sirkulasjonen av et par komponenter, har mesonen også et orbit alt kvantenummer, som bidrar til massen. Orbitalmomentet og spinn bestemmer partikkelens totale vinkelmomentum, assosiert med begrepet romlig, eller P-paritet (en viss symmetri av bølgefunksjonen med hensyn til speilinversjon). I samsvar med kombinasjonen av spin S og intern (relatert til partikkelens egen referanseramme) P-paritet, skilles følgende typer mesoner ut:
- pseudoskalar - den letteste (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalar (S=0, P=1);
- pseudo-vektor (S=1, P=1).
De tre siste typene er veldig massive mesoner, som er høyenergitilstander.
Isotopiske og enhetlige symmetrier
For klassifisering av mesoner er det praktisk å bruke et spesielt kvantenummer - isotopisk spinn. I sterke prosesser deltar partikler med samme isospin-verdi symmetrisk, uavhengig av deres elektriske ladning, og kan representeres som ulike ladningstilstander (isospin-projeksjoner) av ett objekt. Et sett med slike partikler, som er veldig nære i masse, kalles en isomultiplett. For eksempel inkluderer pionisotripletten tre tilstander: π+, π0 og π--meson.
Verdien av isospin beregnes med formelen I=(N–1)/2, hvor N er antall partikler i multipletten. Dermed er isospinet til en pion lik 1, og dens projeksjoner Iz i en spesiell ladningmellomrom er henholdsvis +1, 0 og -1. De fire merkelige mesonene - kaoner - danner to isodubletter: K+ og K0 med isospin +½ og merkelighet +1 og dublett av antipartikler K- og K̄0, der disse verdiene er negative.
Den elektriske ladningen til hadroner (inkludert mesoner) Q er relatert til isospin-projeksjonen Iz og den såk alte hyperladningen Y (summen av baryontallet og all smak tall). Dette forholdet uttrykkes av Nishijima–Gell-Mann-formelen: Q=Iz + Y/2. Det er tydelig at alle medlemmer av en multiplett har samme hyperladning. Baryontallet for mesoner er null.
Deretter blir mesonene gruppert med ekstra spinn og paritet i supermultipletter. Åtte pseudoskalære mesoner danner en oktett, vektorpartikler danner en nonet (ni), og så videre. Dette er en manifestasjon av symmetri på høyere nivå k alt enhetlig.
Mesons and the search for New Physics
For tiden søker fysikere aktivt etter fenomener, hvis beskrivelse vil føre til utvidelse av standardmodellen og til å gå utover den med konstruksjonen av en dypere og mer generell teori om mikroverdenen - New Physics. Det antas at Standardmodellen vil gå inn som et begrensende lavenergitilfelle. I dette søket spiller studiet av mesoner en viktig rolle.
Av spesiell interesse er eksotiske mesoner - partikler med en struktur som ikke passer inn i rammeverket til den vanlige modellen. Så, ved den store hadronenCollider i 2014 bekreftet Z(4430) tetraquark, en bundet tilstand av to ud̄cc̄ kvark-antikvark-par, et mellomliggende forfallsprodukt av den vakre B-mesonen. Disse henfallene er også interessante med tanke på den mulige oppdagelsen av en hypotetisk ny klasse av partikler - leptoquarks.
Modeller spår også andre eksotiske tilstander som bør klassifiseres som mesoner, siden de deltar i sterke prosesser, men har null baryonnummer, for eksempel limkuler, kun dannet av gluoner uten kvarker. Alle slike objekter kan i betydelig grad fylle opp vår kunnskap om naturen til grunnleggende interaksjoner og bidra til videreutviklingen av fysikken til mikroverdenen.
