I midten af det 20. århundrede dukkede begrebet "partikelzoo" op i fysikken, hvilket betyder en række elementære bestanddele af stof, som videnskabsmænd stødte på, efter at tilstrækkeligt kraftige acceleratorer blev skabt. En af de mest talrige indbyggere i "zoo" var genstande kaldet mesoner. Denne familie af partikler indgår sammen med baryoner i den store gruppe af hadroner. Deres undersøgelse gjorde det muligt at trænge ind på et dybere niveau af stoffets struktur og bidrog til at ordne viden om det i den moderne teori om fundamentale partikler og interaktioner - Standardmodellen.
Opdagelseshistorik
I begyndelsen af 1930'erne, efter at sammensætningen af atomkernen var afklaret, opstod spørgsmålet om arten af de kræfter, der sikrede dens eksistens. Det var tydeligt, at den interaktion, der binder nukleoner, skal være ekstremt intens og udføres gennem udveksling af visse partikler. Beregninger udført i 1934 af den japanske teoretiker H. Yukawa viste, at disse objekter er 200-300 gange større end elektronen i masse og,flere gange lavere end protonen. Senere fik de navnet mesoner, som på græsk betyder "midten". Deres første direkte detektion viste sig dog at være en "fejltænding" på grund af nærheden af masserne af meget forskellige partikler.
I 1936 blev genstande (de blev kaldt mu-mesons) med en masse svarende til Yukawas beregninger opdaget i kosmiske stråler. Det så ud til, at det eftersøgte kvantum af nukleare kræfter var blevet fundet. Men så viste det sig, at mu-mesoner er partikler, der ikke er relateret til udvekslingsinteraktionerne mellem nukleoner. De tilhører sammen med elektronen og neutrinoen en anden klasse af objekter i mikrokosmos - leptoner. Partiklerne blev omdøbt til myoner, og søgningen fortsatte.
Yukawa-kvanter blev først opdaget i 1947 og blev kaldt "pi-mesons" eller pioner. Det viste sig, at en elektrisk ladet eller neutral pi-meson faktisk er den partikel, hvis udveksling tillader nukleoner at sameksistere i kernen.
Mesonstruktur
Det blev klart næsten med det samme: pæonerne kom til "partikelzoo" ikke alene, men med adskillige slægtninge. Men det var på grund af antallet og variationen af disse partikler, at det var muligt at fastslå, at de er kombinationer af et lille antal fundamentale objekter. Quarks viste sig at være sådanne strukturelle elementer.
Meson er en bundet tilstand af en kvark og en antikvark (forbindelsen udføres ved hjælp af kvanter af stærk interaktion - gluoner). Den "stærke" ladning af en kvark er et kvantetal, konventionelt kaldet "farve". Dog alle hadronerog mesoner blandt dem er farveløse. Hvad betyder det? En meson kan dannes af en kvark og en antikvark af forskellige typer (eller, som man siger, smagsstoffer, "smag"), men den kombinerer altid farve og antifarve. For eksempel er π+-meson dannet af et par u-quark - anti-d-quark (ud̄), og kombinationen af deres farveladninger kan være "blå - anti- blå", "rød - anti-rød" eller grøn-anti-grøn. Udvekslingen af gluoner ændrer farven på kvarkerne, mens mesonen forbliver farveløs.
Kvarker fra ældre generationer, såsom s, c og b, giver den tilsvarende smag til de mesoner, de danner - mærkværdighed, charme og charme, udtrykt ved deres egne kvantetal. Heltalselektriske ladning af mesonen består af fraktionelle ladninger af partiklerne og antipartikler, der danner den. Ud over dette par, kaldet valenskvarker, omfatter mesonen mange ("hav") virtuelle par og gluoner.
Mesoner og fundamentale kræfter
Mesoner, eller rettere, kvarkerne, der udgør dem, deltager i alle typer interaktioner beskrevet af standardmodellen. Intensiteten af interaktionen er direkte relateret til symmetrien af reaktionerne forårsaget af den, det vil sige til bevarelsen af visse mængder.
Svage processer er de mindst intense, de sparer energi, elektrisk ladning, momentum, vinkelmomentum (spin) – med andre ord, kun universelle symmetrier virker. I den elektromagnetiske interaktion bevares paritets- og smagskvantetal af mesoner også. Det er de processer, der spiller en vigtig rolle i reaktionerneforfald.
Den stærke interaktion er den mest symmetriske, idet den bevarer andre mængder, især isospin. Det er ansvarligt for tilbageholdelse af nukleoner i kernen gennem ionbytning. Ved at udsende og absorbere ladede pi-mesoner gennemgår protonen og neutronen gensidige transformationer, og under udvekslingen af en neutral partikel forbliver hver af nukleonerne sig selv. Hvordan dette kan repræsenteres på niveau med kvarker er vist i figuren nedenfor.
Den stærke interaktion styrer også spredningen af mesoner af nukleoner, deres produktion i hadron-kollisioner og andre processer.
Hvad er quarkonium
Kombinationen af en kvark og en antikvark med samme smag kaldes quarkonia. Dette udtryk anvendes norm alt på mesoner, der indeholder massive c- og b-kvarker. En ekstremt tung t-kvark har slet ikke tid til at gå ind i en bundet tilstand og forfalder øjeblikkeligt til lettere. Kombinationen cc̄ kaldes charmonium, eller en partikel med skjult charme (J/ψ-meson); kombinationen bb̄ er bottomonium, som har en skjult charme (Υ-meson). Begge er karakteriseret ved tilstedeværelsen af mange resonante - ophidsede - tilstande.
Partikler dannet af lette komponenter - uū, dd̄ eller ss̄ - er en superposition (superposition) af smagsstoffer, da masserne af disse kvarker er tæt på i værdi. Den neutrale π0-meson er således en superposition af tilstandene uū og dd̄, som har det samme sæt kvantetal.
Meson ustabilitet
Kombinationen af partikel og antipartikel resulterer iat enhver mesons liv ender i deres udslettelse. Levetiden afhænger af, hvilken interaktion der styrer henfaldet.
- Mesoner, der henfalder gennem kanalen for "stærk" udslettelse, f.eks. til gluoner med den efterfølgende fødsel af nye mesoner, lever ikke særlig længe - 10-20 - 10 - 21 s. Et eksempel på sådanne partikler er quarkonia.
- Elektromagnetisk udslettelse er også ret intens: levetiden for π0-mesonen, hvis kvark-antikvark-par udsletter til to fotoner med en sandsynlighed på næsten 99 %, er ca. 8 ∙ 10 -17 s.
- Svag udslettelse (henfald til leptoner) forløber med meget mindre intensitet. En ladet pion (π+ – ud̄ – eller π- – dū) lever således ret lang tid – i gennemsnit 2,6 ∙ 10-8 s og henfalder norm alt til en myon og en neutrino (eller de tilsvarende antipartikler).
De fleste mesoner er de såkaldte hadronresonanser, kortvarige (10-22 – 10-24 c) fænomener, der forekomme i visse højenergiområder, svarende til atomets exciterede tilstande. De registreres ikke på detektorerne, men beregnes ud fra reaktionens energibalance.
Spin, orbital momentum og paritet
I modsætning til baryoner er mesoner elementærpartikler med en heltalsværdi af spin-tallet (0 eller 1), det vil sige, de er bosoner. Kvarker er fermioner og har et halvt heltals spin ½. Hvis momentum af en kvark og en antikvark er parallelle, så er deressummen - meson spin - er lig med 1, hvis antiparallel, vil den være lig nul.
På grund af den indbyrdes cirkulation af et par komponenter har mesonen også et orbit alt kvantetal, som bidrager til dens masse. Det orbitale momentum og spin bestemmer partiklens samlede vinkelmomentum, forbundet med begrebet rumlig eller P-paritet (en vis symmetri af bølgefunktionen med hensyn til spejlinversion). I overensstemmelse med kombinationen af spin S og intern (relateret til partiklens egen referenceramme) P-paritet skelnes der mellem følgende typer mesoner:
- pseudoscalar - den letteste (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalær (S=0, P=1);
- pseudo-vektor (S=1, P=1).
De sidste tre typer er meget massive mesoner, som er højenergitilstande.
Isotopiske og enhedssymmetrier
Til klassificering af mesoner er det praktisk at bruge et specielt kvantetal - isotopisk spin. I stærke processer deltager partikler med samme isospin-værdi symmetrisk, uanset deres elektriske ladning, og kan repræsenteres som forskellige ladningstilstande (isospin-projektioner) af et objekt. Et sæt af sådanne partikler, som er meget tæt i massen, kaldes en isomultiplet. For eksempel inkluderer pionisotripletten tre tilstande: π+, π0 og π--meson.
Værdien af isospin beregnes ved formlen I=(N–1)/2, hvor N er antallet af partikler i multipletten. Således er en pions isospin lig med 1, og dens projektioner Iz i en særlig ladningmellemrum er henholdsvis +1, 0 og -1. De fire mærkelige mesoner - kaoner - danner to isodubletter: K+ og K0 med isospin +½ og fremmedhed +1 og dubletten af antipartikler K- og K̄0, for hvilke disse værdier er negative.
Den elektriske ladning af hadroner (inklusive mesoner) Q er relateret til isospin-projektionen Iz og den såkaldte hyperladning Y (summen af baryontallet og al smag tal). Dette forhold er udtrykt ved Nishijima–Gell-Mann formlen: Q=Iz + Y/2. Det er klart, at alle medlemmer af en multiplet har den samme hypercharge. Baryontallet for mesoner er nul.
Derefter grupperes mesonerne med yderligere spin og paritet i supermultipletter. Otte pseudoskalære mesoner danner en oktet, vektorpartikler danner en nonet (ni) og så videre. Dette er en manifestation af en symmetri på et højere niveau kaldet unitary.
Mesons og søgningen efter ny fysik
I øjeblikket søger fysikere aktivt efter fænomener, hvis beskrivelse ville føre til udvidelsen af standardmodellen og til at gå ud over den med konstruktionen af en dybere og mere generel teori om mikroverdenen - New Physics. Det antages, at Standardmodellen vil indgå i det som et begrænsende lavenergitilfælde. I denne søgning spiller studiet af mesoner en vigtig rolle.
Af særlig interesse er eksotiske mesoner - partikler med en struktur, der ikke passer ind i rammen af den sædvanlige model. Altså ved den Store HadronCollider i 2014 bekræftede Z(4430) tetraquark, en bundet tilstand af to ud̄cc̄ kvark-antikvark-par, et mellemprodukt af henfald af den smukke B meson. Disse henfald er også interessante i forhold til den mulige opdagelse af en hypotetisk ny klasse af partikler - leptoquarks.
Modeller forudsiger også andre eksotiske tilstande, der bør klassificeres som mesoner, da de deltager i stærke processer, men har nul baryontal, såsom limkugler, kun dannet af gluoner uden kvarker. Alle sådanne objekter kan i væsentlig grad genopbygge vores viden om arten af fundamentale interaktioner og bidrage til den videre udvikling af mikroverdenens fysik.
