До средата на 20-ти век във физиката се появява концепцията за „зоопарк с частици“, което означава разнообразие от елементарни съставки на материята, с които учените се сблъскват след създаването на достатъчно мощни ускорители. Един от най-многобройните обитатели на "зоопарка" са били предмети, наречени мезони. Това семейство частици, заедно с бариони, е включено в голямата група адрони. Тяхното изследване направи възможно проникването на по-дълбоко ниво на структурата на материята и допринесе за подреждането на знанията за нея в съвременната теория на фундаменталните частици и взаимодействията - Стандартния модел.
История на откриването
В началото на 30-те години на миналия век, след изясняване на състава на атомното ядро, възниква въпросът за естеството на силите, които са осигурили неговото съществуване. Беше ясно, че взаимодействието, което свързва нуклоните, трябва да бъде изключително интензивно и да се осъществява чрез обмен на определени частици. Изчисленията, извършени през 1934 г. от японския теоретик Х. Юкава, показват, че тези обекти са 200–300 пъти по-големи от електрона по маса и,съответно няколко пъти по-нисък от протона. По-късно те получават името мезони, което на гръцки означава „среден“. Въпреки това, първото им директно откриване се оказа "проблема" поради близостта на масите на много различни частици.
През 1936 г. в космическите лъчи са открити обекти (те се наричат мю-мезони) с маса, съответстваща на изчисленията на Юкава. Изглежда, че търсеният квант ядрени сили е намерен. Но след това се оказа, че мю-мезоните са частици, които не са свързани с обменните взаимодействия между нуклони. Те, заедно с електрона и неутриното, принадлежат към друг клас обекти в микрокосмоса – лептоните. Частиците бяха преименувани на мюони и търсенето продължи.
Юкава квантите са открити едва през 1947 г. и са наречени "пи-мезони", или пиони. Оказа се, че електрически зареден или неутрален пи-мезон наистина е частицата, чиято обмяна позволява на нуклони да съществуват съвместно в ядрото.
Мезонна структура
Почти веднага стана ясно: божурите дойдоха в „зоопарка на частиците“не сами, а с много роднини. Въпреки това, поради броя и разнообразието на тези частици беше възможно да се установи, че те са комбинации от малък брой фундаментални обекти. Кварките се оказаха такива структурни елементи.
Мезонът е свързано състояние на кварк и антикварк (връзката се осъществява с помощта на кванти на силно взаимодействие - глуони). "Силният" заряд на кварка е квантово число, условно наречено "цвят". Въпреки това, всички адронии мезоните сред тях са безцветни. Какво означава? Мезонът може да бъде образуван от кварк и антикварк от различни видове (или, както се казва, аромати, „вкусове“), но винаги съчетава цвят и антицвят. Например, π+-мезон се образува от двойка u-кварк - анти-d-кварк (ud̄), а комбинацията от цветните им заряди може да бъде "син - анти- синьо", "червено - античервено" или зелено-антизелено. Обмяната на глуони променя цвета на кварките, докато мезонът остава безцветен.
Кварките от по-стари поколения, като s, c и b, придават съответните вкусове на мезоните, които образуват – странност, чар и чар, изразени чрез собствените им квантови числа. Целият електрически заряд на мезона се състои от дробните заряди на частиците и античастиците, които го образуват. В допълнение към тази двойка, наречена валентни кварки, мезонът включва много („морски“) виртуални двойки и глуони.
Мезони и фундаментални сили
Мезоните, или по-скоро кварките, които ги изграждат, участват във всички видове взаимодействия, описани от Стандартния модел. Интензивността на взаимодействието е пряко свързана със симетрията на предизвиканите от него реакции, тоест със запазването на определени количества.
Слабите процеси са най-малко интензивни, те пестят енергия, електрически заряд, импулс, ъглов импулс (спин) – с други думи действат само универсалните симетрии. При електромагнитното взаимодействие също се запазват четността и квантовите числа на мезоните. Това са процесите, които играят важна роля в реакциитеразпад.
Силното взаимодействие е най-симетрично, запазвайки други количества, по-специално изоспина. Той е отговорен за задържането на нуклони в ядрото чрез йонен обмен. Излъчвайки и поглъщайки заредени пи-мезони, протонът и неутронът претърпяват взаимни трансформации и по време на обмена на неутрална частица всеки от нуклоните остава сам за себе си. Как това може да бъде представено на ниво кварки е показано на фигурата по-долу.
Силното взаимодействие също така управлява разсейването на мезони от нуклони, тяхното производство при адронни сблъсъци и други процеси.
Какво е кваркониум
Комбинацията от кварк и антикварк с един и същи вкус се нарича кварконий. Този термин обикновено се прилага за мезони, които съдържат масивни c- и b-кварки. Изключително тежкият t-кварк изобщо няма време да влезе в свързано състояние, като моментално се разпада в по-леки. Комбинацията cc̄ се нарича чармоний, или частица със скрит чар (J/ψ-мезон); комбинацията bb̄ е боттониум, който има скрит чар (Υ-мезон). И двете се характеризират с наличието на много резонансни - възбудени - състояния.
Частици, образувани от светлинни компоненти - uū, dd̄ или ss̄ - са суперпозиция (суперпозиция) на аромати, тъй като масите на тези кварки са близки по стойност. По този начин неутралният π0-мезон е суперпозиция на състоянията uū и dd̄, които имат същия набор от квантови числа.
Мезонна нестабилност
Комбинацията от частица и античастица води доче животът на всеки мезон завършва с тяхното унищожаване. Животът зависи от това кое взаимодействие контролира разпадането.
- Мезони, които се разпадат по канала на "силно" унищожение, да речем, в глюони с последващо раждане на нови мезони, не живеят много дълго - 10-20 - 10 - 21 стр. Пример за такива частици е кваркония.
- Електромагнитната анихилация също е доста интензивна: животът на π0-мезон, чиято двойка кварк-антикварк се анихилира в два фотона с вероятност от почти 99%, е около 8 ∙ 10 -17 с.
- Слабото унищожаване (разпадане на лептони) протича с много по-малък интензитет. Така зареден пион (π+ – ud̄ – или π- – dū) живее доста дълго време – средно 2,6 ∙ 10-8 s и обикновено се разпада на мюон и неутрино (или съответните античастици).
Повечето мезони са така наречените адронни резонанси, краткотрайни (10-22 – 10-24 в) феномени, които възникват в определени високоенергийни диапазони, подобни на възбудените състояния на атома. Те не се регистрират на детекторите, а се изчисляват въз основа на енергийния баланс на реакцията.
Въртене, орбитален импулс и паритет
За разлика от барионите, мезоните са елементарни частици с цяло число на спиновото число (0 или 1), тоест те са бозони. Кварките са фермиони и имат половин цяло число спин ½. Ако моментите на импулса на кварк и антикварк са успоредни, тогава техниятсумата - спин на мезон - е равна на 1, ако е антипаралелна, тя ще бъде равна на нула.
Поради взаимната циркулация на двойка компоненти, мезонът има и орбитално квантово число, което допринася за неговата маса. Орбиталният импулс и спинът определят общия ъглов импулс на частицата, свързан с концепцията за пространствен или P-паритет (определена симетрия на вълновата функция по отношение на огледалната инверсия). В съответствие с комбинацията от спин S и вътрешен (свързан със собствената референтна система на частицата) P-паритет се разграничават следните типове мезони:
- псевдоскаларен - най-лекият (S=0, P=-1);
- вектор (S=1, P=-1);
- скаларна (S=0, P=1);
- псевдо-вектор (S=1, P=1).
Последните три типа са много масивни мезони, които са високоенергийни състояния.
Изотопни и унитарни симетрии
За класификацията на мезоните е удобно да се използва специално квантово число - изотопен спин. В силни процеси частици с една и съща стойност на изоспина участват симетрично, независимо от електрическия им заряд, и могат да бъдат представени като различни състояния на заряд (проекции на изоспина) на един обект. Набор от такива частици, които са много близки по маса, се нарича изомултиплет. Например, изотриплета на пион включва три състояния: π+, π0 и π--мезон.
Стойността на изоспина се изчислява по формулата I=(N–1)/2, където N е броят на частиците в мултиплета. Така изоспинът на пион е равен на 1, а неговите проекции Iz в специален зарядпространството са съответно +1, 0 и -1. Четирите странни мезони - каони - образуват два изодублета: K+ и K0 с изоспин +½ и странност +1 и дублет на античастици K- и K̄0, за които тези стойности са отрицателни.
Електрическият заряд на адроните (включително мезоните) Q е свързан с проекцията на изоспин Iz и така наречения хиперзаряд Y (сумата от барионното число и всички вкусове числа). Тази връзка се изразява с формулата Нишиджима-Гел-Ман: Q=Iz + Y/2. Ясно е, че всички членове на един мултиплет имат еднакъв хиперзаряд. Барионният брой на мезоните е нула.
След това мезоните се групират с допълнително завъртане и паритет в супермножества. Осем псевдоскаларни мезона образуват октет, векторните частици образуват нонет (девет) и т.н. Това е проявление на по-високо ниво на симетрия, наречено унитарно.
Мезони и търсенето на нова физика
В момента физиците активно търсят явления, чието описание би довело до разширяване на Стандартния модел и до излизане отвъд него с изграждането на по-дълбока и по-обща теория на микросвета – Нова физика. Предполага се, че Стандартният модел ще влезе в него като ограничаващ, нискоенергиен случай. В това търсене изучаването на мезоните играе важна роля.
Особен интерес представляват екзотичните мезони - частици със структура, която не се вписва в рамките на обичайния модел. И така, при Големия адронCollider през 2014 г. потвърди тетракварка Z(4430), свързано състояние на две двойки ud̄cc̄ кварк-антикварк, междинен продукт на разпад на красивия B мезон. Тези разпади са интересни и от гледна точка на възможното откриване на хипотетичен нов клас частици - лептокварки.
Моделите също така предвиждат други екзотични състояния, които трябва да бъдат класифицирани като мезони, тъй като участват в силни процеси, но имат нулев барионен брой, като глюболи, образувани само от глюони без кварки. Всички подобни обекти могат значително да попълнят знанията ни за природата на фундаменталните взаимодействия и да допринесат за по-нататъшното развитие на физиката на микросвета.
