La mijlocul secolului al XX-lea, conceptul de „zoo cu particule” a apărut în fizică, adică o varietate de constituenți elementari ai materiei, pe care oamenii de știință i-au întâlnit după ce au fost creați acceleratori suficient de puternici. Unul dintre cei mai numeroși locuitori ai „grădinii zoologice” erau obiecte numite mezoni. Această familie de particule, împreună cu barionii, este inclusă în grupul mare de hadroni. Studiul lor a făcut posibilă pătrunderea la un nivel mai profund al structurii materiei și a contribuit la ordonarea cunoștințelor despre aceasta în teoria modernă a particulelor și interacțiunilor fundamentale - Modelul Standard.
Istoricul descoperirilor
La începutul anilor 1930, după ce s-a clarificat compoziția nucleului atomic, s-a pus întrebarea despre natura forțelor care i-au asigurat existența. Era clar că interacțiunea care leagă nucleonii trebuie să fie extrem de intensă și realizată prin schimbul anumitor particule. Calculele efectuate în 1934 de teoreticianul japonez H. Yukawa au arătat că aceste obiecte sunt de 200-300 de ori mai mari decât electronul în masă și,respectiv, de câteva ori inferior protonului. Mai târziu au primit numele de mezoni, care în greacă înseamnă „mijloc”. Cu toate acestea, prima lor detectare directă s-a dovedit a fi o „rată de aprindere” din cauza apropierii maselor de particule foarte diferite.
În 1936, obiecte (au fost numite mu-mezoni) cu o masă corespunzătoare calculelor lui Yukawa au fost descoperite în raze cosmice. Se părea că a fost găsit cuantumul căutat al forțelor nucleare. Dar apoi s-a dovedit că mu-mezonii sunt particule care nu sunt legate de interacțiunile de schimb dintre nucleoni. Ele, împreună cu electronul și neutrino, aparțin unei alte clase de obiecte din microcosmos - leptonii. Particulele au fost redenumite muoni și căutarea a continuat.
Cuantele
Yukawa au fost descoperite abia în 1947 și au fost numiți „pi-mesoni”, sau pioni. S-a dovedit că un pi-mezon încărcat electric sau neutru este într-adevăr particula al cărei schimb permite nucleonilor să coexiste în nucleu.
Structura mezonului
A devenit clar aproape imediat: bujorii au venit la „grădina zoologică cu particule” nu singuri, ci cu numeroase rude. Cu toate acestea, datorită numărului și varietății acestor particule a fost posibil să se stabilească că sunt combinații ale unui număr mic de obiecte fundamentale. Quarcii s-au dovedit a fi astfel de elemente structurale.
Mezonul este o stare legată a unui quarc și a unui antiquarc (conexiunea se realizează prin intermediul cuantelor de interacțiune puternică - gluoni). Sarcina „puternică” a unui quarc este un număr cuantic, numit convențional „culoare”. Cu toate acestea, toți hadroniiiar mezonii printre ei sunt incolori. Ce înseamnă? Un mezon poate fi format dintr-un cuarc și un antiquarc de diferite tipuri (sau, după cum se spune, arome, „arome”), dar îmbină întotdeauna culoarea și anticolorul. De exemplu, π+-meson este format dintr-o pereche de cuarc u - anti-d-quark (ud̄), iar combinația încărcăturilor lor de culoare poate fi „albastru - anti- albastru", "rosu - anti-rosu" sau verde-anti-verde. Schimbul de gluoni schimbă culoarea quarcilor, în timp ce mezonul rămâne incolor.
Quarcii din generațiile mai vechi, precum s, c și b, dau aromele corespunzătoare mezonilor pe care îi formează - ciudățenie, farmec și farmec, exprimate prin propriile numere cuantice. Sarcina electrică întreagă a mezonului este alcătuită din sarcinile fracționale ale particulelor și antiparticulelor care îl formează. În plus față de această pereche, numită cuarci de valență, mezonul include multe perechi virtuale ("de mare") și gluoni.
Mezoni și forțe fundamentale
Mezonii, sau mai degrabă, quarcii care îi alcătuiesc, participă la toate tipurile de interacțiuni descrise de Modelul Standard. Intensitatea interacțiunii este direct legată de simetria reacțiilor provocate de aceasta, adică de conservarea anumitor mărimi.
Procesele slabe sunt cele mai puțin intense, ele conservă energie, sarcină electrică, impuls, moment unghiular (spin) – cu alte cuvinte, acționează doar simetriile universale. În interacțiunea electromagnetică, paritatea și numerele cuantice aromatice ale mezonilor sunt de asemenea conservate. Acestea sunt procesele care joacă un rol important în reacțiidezintegrare.
Interacțiunea puternică este cea mai simetrică, păstrând alte cantități, în special isospinul. Este responsabil pentru reținerea nucleonilor în nucleu prin schimbul de ioni. Prin emiterea și absorbția pi-mezonilor încărcați, protonul și neutronul suferă transformări reciproce, iar în timpul schimbului unei particule neutre, fiecare dintre nucleoni rămâne el însuși. Cum poate fi reprezentat acest lucru la nivelul quarcilor este prezentat în figura de mai jos.
Interacțiunea puternică guvernează, de asemenea, împrăștierea mezonilor de către nucleoni, producția lor în ciocnirile cu hadron și alte procese.
Ce este cuarconiul
Combinația dintre un quarc și un antiquarc de aceeași aromă se numește quarkonia. Acest termen este de obicei aplicat mezonilor care conțin cuarcuri c și b masive. Un t-quark extrem de greu nu are deloc timp să intre într-o stare legată, degradându-se instantaneu în altele mai ușoare. Combinația cc̄ se numește charmonium, sau o particulă cu farmec ascuns (J/ψ-meson); combinația bb̄ este bottomonium, care are un farmec ascuns (Υ-meson). Ambele se caracterizează prin prezența multor stări rezonante - excitate.
Particulele formate din componente ușoare - uū, dd̄ sau ss̄ - sunt o suprapunere (suprapunere) de arome, deoarece masele acestor quarci sunt apropiate ca valoare. Astfel, neutru π0-mezon este o suprapunere a stărilor uū și dd̄, care au același set de numere cuantice.
Instabilitatea mezonului
Combinația dintre particule și antiparticule are ca rezultatcă viața oricărui mezon se termină prin anihilarea lor. Durata de viață depinde de interacțiunea care controlează degradarea.
- Mezonii care se descompun prin canalul anihilării „puternice”, de exemplu, în gluoni odată cu nașterea ulterioară de noi mezoni, nu trăiesc foarte mult - 10-20 - 10 - 21 p. Un exemplu de astfel de particule este quarkonia.
- Anihilarea electromagnetică este, de asemenea, destul de intensă: durata de viață a mezonului π0, a cărui pereche quark-antiquarc se anihilează în doi fotoni cu o probabilitate de aproape 99%, este de aproximativ 99%. 8 ∙ 10 -17 s.
- Anihilarea slabă (descompunerea în leptoni) are loc cu mult mai puțină intensitate. Astfel, un pion încărcat (π+ – ud̄ – sau π- – dū) trăiește destul de mult – în medie 2,6 ∙ 10-8 s și, de obicei, se descompune într-un muon și un neutrin (sau antiparticulele corespunzătoare).
Majoritatea mezonilor sunt așa-numitele rezonanțe hadronice, de scurtă durată (10-22 – 10-24 c) fenomene care apar în anumite intervale de energie în altă, similare stărilor excitate ale atomului. Ele nu sunt înregistrate pe detectoare, dar sunt calculate pe baza bilanţului energetic al reacţiei.
Rotire, impuls orbital și paritate
Spre deosebire de barioni, mezonii sunt particule elementare cu o valoare întreagă a numărului de spin (0 sau 1), adică sunt bosoni. Quarcii sunt fermioni și au spin semiîntreg ½. Dacă momentele de impuls ale unui cuarc și ale unui antiquarc sunt paralele, atunci acesteasuma - spin mezon - este egală cu 1, dacă este antiparalelă, va fi egală cu zero.
Datorită circulației reciproce a unei perechi de componente, mezonul are și un număr cuantic orbital, care contribuie la masa sa. Momentul orbital și spinul determină momentul unghiular total al particulei, asociat cu conceptul de paritate spațială sau P (o anumită simetrie a funcției de undă în raport cu inversarea oglinzii). În conformitate cu combinația dintre spin S și paritatea P internă (legată de propriul cadru de referință al particulei), se disting următoarele tipuri de mezoni:
- pseudoscalar - cel mai ușor (S=0, P=-1);
- vector (S=1, P=-1);
- scalar (S=0, P=1);
- pseudo-vector (S=1, P=1).
Ultimele trei tipuri sunt mezoni foarte masivi, care sunt stări de în altă energie.
Simetrii izotopice și unitare
Pentru clasificarea mezonilor este convenabil să folosiți un număr cuantic special - spin izotopic. În procesele puternice, particulele cu aceeași valoare a isospinului participă simetric, indiferent de sarcina lor electrică, și pot fi reprezentate ca diferite stări de încărcare (proiecții isospin) ale unui obiect. Un set de astfel de particule, care sunt foarte apropiate ca masă, se numește izomultiplet. De exemplu, izotripletul pion include trei stări: π+, π0 și π--mezon.
Valoarea isospinului este calculată prin formula I=(N–1)/2, unde N este numărul de particule din multiplet. Astfel, isospinul unui pion este egal cu 1, iar proiecțiile sale Iz într-o încărcare specialăspațiul sunt, respectiv, +1, 0 și -1. Cei patru mezoni ciudați - kaoni - formează două izodublete: K+ și K0 cu isospin +½ și ciudățenie +1 și dubletul de antiparticule K- și K̄0, pentru care aceste valori sunt negative.
Încărcarea electrică a hadronilor (inclusiv mezonii) Q este legată de proiecția isospină Iz și de așa-numita hipersarcină Y (suma numărului barionului și a tuturor aromelor). numere). Această relație este exprimată prin formula Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. Este clar că toți membrii unui multiplet au aceeași hiperîncărcare. Numărul barion de mezoni este zero.
Apoi, mezonii sunt grupați cu spin și paritate suplimentare în supermultipleturi. Opt mezoni pseudoscalari formează un octet, particulele vectoriale formează un nonet (nouă) și așa mai departe. Aceasta este o manifestare a unei simetrii de nivel superior numită unitară.
Mezoni și căutarea unei noi fizice
În prezent, fizicienii caută în mod activ fenomene, a căror descriere ar duce la extinderea Modelului Standard și la depășirea acestuia cu construirea unei teorii mai profunde și mai generale a microlumii - Noua Fizică. Se presupune că modelul standard îl va introduce ca caz limitativ, cu consum redus de energie. În această căutare, studiul mezonilor joacă un rol important.
De un interes deosebit sunt mezonii exotici - particule cu o structură care nu se încadrează în cadrul modelului obișnuit. Deci, la Hadronul MareColliderul din 2014 a confirmat tetraquarcul Z(4430), o stare legată a două perechi ud̄cc̄ quark-antiquark, un produs intermediar de dezintegrare al frumosului mezon B. Aceste dezintegrari sunt interesante și în ceea ce privește posibila descoperire a unei noi clase ipotetice de particule - leptoquarks.
Modelele prezic, de asemenea, alte stări exotice care ar trebui clasificate ca mezoni, deoarece participă la procese puternice, dar au număr barion zero, cum ar fi bile de lipici, formate numai din gluoni fără quarci. Toate astfel de obiecte ne pot completa în mod semnificativ cunoștințele despre natura interacțiunilor fundamentale și pot contribui la dezvoltarea în continuare a fizicii microlumilor.
