A 20. század közepére megjelent a fizikában a „részecske-állatkert” fogalma, amely az anyag különféle elemi alkotóelemeit jelenti, amelyekkel a tudósok azután találkoztak, hogy kellően erős gyorsítókat hoztak létre. Az "állatkert" egyik legtöbb lakója a mezonoknak nevezett tárgyak voltak. Ez a részecskék családja a barionokkal együtt a hadronok nagy csoportjába tartozik. Vizsgálatuk lehetővé tette az anyag szerkezetének mélyebb szintjére való behatolást, és hozzájárult ahhoz, hogy az ezzel kapcsolatos ismereteket az alapvető részecskék és kölcsönhatások modern elméletébe - a Standard Modellbe - rendezzék.
Felfedezési előzmények
Az 1930-as évek elején, az atommag összetételének tisztázása után, felmerült a kérdés a létezését biztosító erők természetéről. Nyilvánvaló volt, hogy a nukleonokat megkötő kölcsönhatásnak rendkívül intenzívnek kell lennie, és bizonyos részecskék cseréjén keresztül kell megvalósulnia. A japán teoretikus, H. Yukawa 1934-ben végzett számításai kimutatták, hogy ezek a tárgyak 200-300-szor nagyobbak az elektron tömegénél, ésrendre többszörösen gyengébb a protonnál. Később megkapták a mezonok nevét, ami görögül „középsőt” jelent. Az első közvetlen észlelésük azonban „gyújtáskimaradásnak” bizonyult a nagyon különböző részecskék tömegének közelsége miatt.
1936-ban Yukawa számításainak megfelelő tömegű objektumokat (ezeket mu-mezonoknak hívták) fedezték fel a kozmikus sugarakban. Úgy tűnt, a nukleáris erők keresett kvantumát megtalálták. De aztán kiderült, hogy a mu-mezonok olyan részecskék, amelyek nem kapcsolódnak a nukleonok közötti cserekölcsönhatásokhoz. Az elektronnal és a neutrínóval együtt a mikrokozmosz tárgyainak egy másik osztályába tartoznak - a leptonokba. A részecskéket müonoknak nevezték át, és a keresés folytatódott.
A Yukawa kvantumokat csak 1947-ben fedezték fel, és "pi-mezonoknak" vagy pionoknak nevezték őket. Kiderült, hogy egy elektromosan töltött vagy semleges pi-mezon valóban az a részecske, amelynek cseréje lehetővé teszi a nukleonok együttélését az atommagban.
Meson szerkezet
Szinte azonnal kiderült: a pünkösdi rózsa nem egyedül, hanem számos rokonával érkezett a „részecske állatkertbe”. Azonban ezeknek a részecskéknek a számának és sokféleségének köszönhető, hogy sikerült megállapítani, hogy ezek néhány alapvető objektum kombinációi. A kvarkok olyan szerkezeti elemeknek bizonyultak.
A mezon egy kvark és egy antikvark kötött állapota (a kapcsolat erős kölcsönhatás kvantumaival – gluonokkal) jön létre. A kvark "erős" töltése egy kvantumszám, amelyet hagyományosan "színnek" neveznek. Azonban minden hadronés köztük a mezonok színtelenek. Mit jelent? A mezon különböző típusú kvarkból és antikvarkból (vagy, ahogy mondani szokás, ízesítőből, „ízesítőből”) alkotható, de mindig ötvözi a színt és az antiszínt. Például a π+-mezont egy u-kvark - anti-d-kvark (ud̄) pár alkotja, és színtöltésük kombinációja lehet "kék - anti- kék", "piros - anti-piros" vagy zöld-anti-zöld. A gluonok cseréje megváltoztatja a kvarkok színét, míg a mezon színtelen marad.
Az idősebb generációk kvarjai, mint az s, c és b, a megfelelő ízeket adják az általuk alkotott mezonoknak - furcsaságot, bájt és bájt, amit saját kvantumszámaikkal fejeznek ki. A mezon egész számú elektromos töltése az azt alkotó részecskék és antirészecskék törttöltéseiből tevődik össze. Ezen a páron kívül, amelyet vegyértékkvarkoknak neveznek, a mezon számos ("tengeri") virtuális párt és gluont tartalmaz.
Mezonok és alapvető erők
A mezonok, vagy inkább az őket alkotó kvarkok részt vesznek a Standard Modell által leírt minden típusú kölcsönhatásban. A kölcsönhatás intenzitása közvetlenül összefügg az általa kiváltott reakciók szimmetriájával, vagyis bizonyos mennyiségek megmaradásával.
A gyenge folyamatok a legkevésbé intenzívek, energiát, elektromos töltést, lendületet, szögmomentumot (spin) takarítanak meg – vagyis csak univerzális szimmetriák hatnak. Az elektromágneses kölcsönhatásban a mezonok paritása és ízkvantumszáma is megmarad. Ezek azok a folyamatok, amelyek fontos szerepet játszanak a reakciókbanhanyatlás.
Az erős kölcsönhatás a legszimmetrikusabb, megőrzi más mennyiségeket, különösen az izospint. Felelős a nukleonok visszatartásáért a sejtmagban ioncsere révén. A töltött pi-mezonok kibocsátásával és elnyelésével a proton és a neutron kölcsönös átalakuláson megy keresztül, és a semleges részecske cseréje során mindegyik nukleon önmaga marad. Az alábbi ábrán látható, hogy ez hogyan ábrázolható a kvarkok szintjén.
Az erős kölcsönhatás a mezonok nukleonok általi szórását, hadronütközések során történő keletkezését és egyéb folyamatokat is szabályozza.
Mi az a kvarkónium
A kvark és az azonos ízű antikvark kombinációját kvarkóniának nevezik. Ezt a kifejezést általában olyan mezonokra alkalmazzák, amelyek hatalmas c- és b-kvarkot tartalmaznak. Egy rendkívül nehéz t-kvarknak egyáltalán nincs ideje kötött állapotba kerülni, azonnal könnyebbekké bomlik. A cc̄ kombinációt charmóniumnak, vagy rejtett varázsú részecske (J/ψ-mezon) nevezik; a bb̄ kombináció a bottomónium, amelynek rejtett varázsa van (Υ-mezon). Mindkettőt számos rezonáns - gerjesztett - állapot jelenléte jellemzi.
A könnyű komponensek - uū, dd̄ vagy ss̄ - által alkotott részecskék az ízek szuperpozíciója (szuperpozíciója), mivel ezeknek a kvarkoknak a tömege közel van egymáshoz. Így a semleges π0-mezon az uū és dd̄ állapotok szuperpozíciója, amelyeknek ugyanaz a kvantumszámkészlete.
Meson instabilitás
A részecske és az antirészecske kombinációja azt eredményezihogy bármely mezon élete az ő megsemmisülésükkel végződik. Az élettartam attól függ, hogy melyik interakció szabályozza a csillapítást.
- Azok a mezonok, amelyek az "erős" megsemmisítés csatornáján keresztül bomlanak le, mondjuk gluonokká, és új mezonok születnek, nem élnek túl sokáig - 10-20 - 10 - 21 p. Ilyen részecskék például a kvarkónia.
- Az elektromágneses megsemmisítés is elég intenzív: a π0-mezon élettartama, amelynek kvark-antikvark párja közel 99%-os valószínűséggel két fotonná semmisül meg kb. 8 ∙ 10 -17 s.
- A gyenge megsemmisülés (leptonokká bomlás) sokkal kisebb intenzitással megy végbe. Így egy feltöltött pion (π+ – ud̄ – vagy π- – dū) elég sokáig él – átlagosan 2,6 ∙ 10-8 s és általában müonná és neutrínóvá (vagy a megfelelő antirészecskékké) bomlik.
A legtöbb mezon úgynevezett hadronrezonancia, rövid életű (10-22 – 10-24 c) olyan jelenség, bizonyos nagy energiatartományokban fordulnak elő, hasonlóan az atom gerjesztett állapotához. Ezeket nem regisztrálják a detektorokon, hanem a reakció energiaegyensúlya alapján számítják ki.
Pörgés, orbitális lendület és paritás
A barionokkal ellentétben a mezonok olyan elemi részecskék, amelyek spinszáma egész (0 vagy 1), vagyis bozonok. A kvarkok fermionok, és fél-egész számokkal rendelkeznek. Ha egy kvark és egy antikvark lendületi momentumai párhuzamosak, akkor az övékaz összeg - mezon spin - egyenlő 1-gyel, ha antiparallel, akkor egyenlő lesz nullával.
Egy komponenspár kölcsönös cirkulációja miatt a mezonnak van egy pályakvantumszáma is, ami hozzájárul a tömegéhez. Az orbitális impulzus és a spin határozza meg a részecske teljes impulzusimpulzusát, amely a térbeli vagy P-paritás fogalmához kapcsolódik (a hullámfüggvény bizonyos szimmetriája a tükör inverziójához képest). Az S spin és a belső (a részecske saját vonatkoztatási rendszeréhez kapcsolódó) P-paritás kombinációja alapján a következő típusú mezonokat különböztetjük meg:
- pszeudoskaláris - a legkönnyebb (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalár (S=0, P=1);
- pszeudovektor (S=1, P=1).
Az utolsó három típus nagyon masszív mezon, amelyek nagy energiájú állapotok.
Izotóp- és egységszimmetriák
A mezonok osztályozásához célszerű egy speciális kvantumszámot – izotóp spint – használni. Az erős folyamatokban az azonos izospin értékű részecskék elektromos töltésüktől függetlenül szimmetrikusan vesznek részt, és egy objektum különböző töltési állapotaiként (izospin vetületeiként) ábrázolhatók. Az ilyen részecskék halmazát, amelyek tömege nagyon közel van, izomultipletnek nevezzük. Például a pion izotriplett három állapotot tartalmaz: π+, π0 és π--mezon.
Az izospin értékét az I=(N–1)/2 képlet alapján számítjuk ki, ahol N a részecskék száma a multipletben. Így egy pion izospinje egyenlő 1-gyel, vetületei pedig Iz speciális töltésbenszóköz +1, 0 és -1. A négy furcsa mezon - kaon - két izodublettet alkot: K+ és K0 izospin +½ és furcsaság +1, valamint a K antirészecskék dublettje.- és K̄0, amelyeknél ezek az értékek negatívak.
A hadronok (beleértve a mezonokat is) elektromos töltése Q összefüggésben van az Iz izospin vetülettel és az úgynevezett Y hipertöltéssel (a barionszám és az összes íz összege) számok). Ezt az összefüggést a Nishijima–Gell-Mann képlet fejezi ki: Q=Iz + Y/2. Nyilvánvaló, hogy egy multiplett minden tagjának ugyanaz a túltöltése. A mezonok barionszáma nulla.
Ezután a mezonok további forgással és paritással szupermultipletekbe csoportosulnak. Nyolc pszeudoszkaláris mezon alkot egy oktettet, a vektorrészecskék egy nonettet (kilenc), és így tovább. Ez az egységesnek nevezett magasabb szintű szimmetria megnyilvánulása.
Mesons és az új fizika keresése
Jelenleg a fizikusok aktívan kutatnak olyan jelenségek után, amelyek leírása a Standard Modell kiterjesztéséhez és azon túllépéshez vezetne a mikrovilág mélyebb és általánosabb elméletének – az Új fizika – felépítésével. Feltételezzük, hogy a Standard Modell korlátozó, alacsony energiaigényű esetként fog szerepelni. Ebben a keresésben a mezonok tanulmányozása fontos szerepet játszik.
Különösen érdekesek az egzotikus mezonok - olyan részecskék, amelyek szerkezete nem illeszkedik a szokásos modell keretébe. Tehát a Nagy HadronnálA Collider 2014-ben megerősítette a Z(4430) tetrakvarkot, amely két ud̄cc̄ kvark-antikvark pár kötött állapota, a gyönyörű B mezon köztes bomlásterméke. Ezek a bomlások a részecskék egy feltételezett új osztályának, a leptokvarkoknak a lehetséges felfedezése szempontjából is érdekesek.
A modellek más egzotikus állapotokat is jósolnak, amelyeket a mezonok közé kell sorolni, mivel erős folyamatokban vesznek részt, de nulla barionszámuk van, például ragasztógolyókat, amelyeket csak kvark nélküli gluonok alkotnak. Minden ilyen objektum jelentősen kiegészítheti ismereteinket az alapvető kölcsönhatások természetéről, és hozzájárulhat a mikrovilág fizikájának további fejlődéséhez.
