До середини XX століття у фізиці з’явилося поняття «зоопарку частинок», що означає безліч різноманітних елементарних складових матерії, з яким зіштовхнулися вчені після того, як були створені досить потужні прискорювачі. Одними з найбільш численних мешканців «зоопарку» стали об’єкти, що одержали назву мезонів. Це сімейство частинок поряд з баріонів входить у велику групу адронів. Вивчення їх дало змогу проникнути на більш глибокий рівень структури матерії і сприяло впорядкуванню знань про неї в сучасну теорію фундаментальних частинок і взаємодій – Стандартну модель.
Історія відкриття
На початку 1930 років, після прояснення складу атомного ядра, постало питання про природу сил, що забезпечують його існування. Було ясно, що взаємодія, що зв’язує нуклони, має бути надзвичайно інтенсивним і здійснюватися шляхом обміну певними частками. Розрахунки, виконані в 1934 році японським теоретиком Х. Юкавой, показали, що по масі ці об’єкти перевершують електрон в 200-300 разів і, відповідно, в декілька разів поступаються протону. Пізніше вони отримали найменування мезонів, що в перекладі з грецького означає «середній». Однак їх перше пряме виявлення виявилося «осічкою», пов’язаної з близькістю значення мас дуже різних частинок.
У 1936 році в космічних променях були відкриті об’єкти (їх назвали мю-мезонами) з масою, що відповідає розрахунками Юкави. Здавалося, шуканий квант ядерних сил знайдено. Але потім з’ясувалося, що мю-мезони – це частинки, що не мають відношення до обмінних взаємодій між нуклонами. Вони разом з електроном і нейтрино відносяться до іншого класу об’єктів мікросвіту – лептонам. Частинки були перейменовані в мюоны, а пошуки тривали.
Кванти Юкави були виявлені лише в 1947 році і отримали назву «пі-мезони», або півонії. Виявилося, що електрично заряджений або нейтральний пі-мезон – це та частка, обмін якої дозволяє нуклонамм співіснувати в ядрі.
Структура мезонів
Практично одразу стало зрозуміло: півонії прийшли в «зоопарк частинок» не самі, а з численними родичами. Однак саме завдяки кількості і різноманітності цих частинок вдалося встановити, що вони є комбінаціями невеликого числа фундаментальних об’єктів. Такими структурними елементами виявилися кварки.
Мезон являє собою пов’язане стан кварка і антикварка (зв’язок здійснюється за допомогою квантів сильної взаємодії – глюонов). «Сильний» заряд кварка – це квантове число, умовно зване «кольором». Проте всі адрони, і мезони в їх числі, безбарвні. Що це означає? Мезон може бути утворений кварком і антикварком різних типів (або, як прийнято говорити, ароматів, «флейворов»), але завжди поєднує колір і антицвет. Наприклад, π+-мезон утворюється парою u-кварк – анти-d-кварк (ud), а поєднання їх кольорових зарядів може бути «синій – антисиний», «червоний – антикрасный» або «зелений – антизеленый». Обмін глюонами змінює колір кварків, мезон ж при цьому залишається безбарвним.
Кварки старших поколінь, такі як s, c і b, повідомляють утвореним ними мезонам відповідні аромати – дивина, чарівність і принадність, що виражаються власними квантовими числами. Цілочисельний електричний заряд мезона складається з дрібних зарядів утворюють його частки і античастки. Крім цієї пари, іменованої валентними кварками, до складу мезона входить безліч («море») віртуальних пар і глюонов.
Мезони і фундаментальні сили
Мезони, а точніше, складові їх кварки, беруть участь у всіх типах взаємодій, описуваних Стандартною моделлю. Інтенсивність взаємодії прямо пов’язана з симетричністю обумовлених їм реакцій, тобто зі збереженням тих або інших величин.
Найменш інтенсивними слабкі процеси, що в них зберігаються енергія, електричний заряд, імпульс, момент імпульсу (спін), – інакше кажучи, діють лише універсальні симетрії. В електромагнітній взаємодії зберігаються також парність і флейворные квантові числа мезонів. Це – процеси, які відіграють важливу роль у реакціях розпаду.
Сильна взаємодія є найбільш симетрично, зберігаючи і інші величини, зокрема, изоспин. Воно відповідально за утримання нуклонів у ядрі допомогою іонного обміну. Випускаючи і поглинаючи заряджені пі-мезони, протон і нейтрон відчувають взаємні перетворення, а при обміні нейтральною частинкою кожний із нуклонів залишається самим собою. Як це може бути представлена на рівні кварків, демонструє малюнок, приведений нижче.
Сильна взаємодія також управляє розсіюванням мезонів на нуклонах, народженням їх в адронных зіткненнях і іншими процесами.
Що таке кварконий
Поєднання кварка і антикварка одного аромату прийнято іменувати кварконием. Цей термін, як правило, застосовується до мезонам, у складі яких є масивні c – і b-кварки. Надзвичайно важкий t-кварк взагалі не встигає вступити в зв’язаний стан, миттєво розпадаючись на більш легкі. Поєднання cc називається чармонием, або часткою з прихованим зачаруванням (J/ψ-мезон); поєднання bb – боттомонием, якому притаманна прихована краса (Υ-мезон). Обидва характеризуються наявністю безлічі резонансних – збуджених – станів.
Частинки, утворені легкими компонентами – uū, dd або ss – являють собою суперпозицію (накладання) ароматів, оскільки маси цих кварків близькі за значенням. Так, нейтральний π0-мезон – суперпозиція станів uū і dd, що володіють однаковим набором квантових чисел.
Нестабільність мезонів
Комбінація частинки і античастки призводить до того, що життя будь-мезона закінчується їх анігіляцією. Час життя залежить від того, яке взаємодія управляє розпадом.
- Мезони, розпадаються по каналу «сильної» анігіляції, скажімо, на глюони з подальшим народженням нових мезонів, живуть зовсім недовго – 10-20 – 10-21 с. Приклад таких частинок – кварконии.
- Електромагнітна анігіляція також досить інтенсивна: час життя π0-мезона, кварк-антикварковая пара якого анігілює з імовірністю майже 99% в два фотони, становить близько 8 ∙ 10-17 с.
- Слабка анігіляція (розпад на лептони) протікає з набагато меншою інтенсивністю. Так, заряджений півонія (π+ – ud – або π- – dū) живе досить довго – у середньому 2,6 ∙ 10-8 с і розпадається зазвичай на мюон і нейтрино (або на відповідні античастки).
Більшість мезонів – це так звані адронные резонанси, короткоіснуючі (10-22 – 10-24 c) явища, що виникають у певних діапазонах високих енергій, аналогічні збудженим станам атома. Вони не реєструються на детекторах, а обчислюються виходячи з енергетичного балансу реакції.
Спін, орбітальний момент і парність
На відміну від баріонів, мезони – це елементарні частинки, що володіють цілочисельним значенням спінового числа (0 або 1), тобто вони представляють собою бозони. Кварки ж є фермионами і мають полуцелый спін½. Якщо моменти імпульсу кварка і антикварка паралельні, то їх сума – спін мезона дорівнює 1, якщо антипараллельны, він буде дорівнювати нулю.
Завдяки взаємному зверненням пари компонентів мезон має також орбітальне квантове число, яке вносить вклад в його масу. Орбітальний момент і спін визначають повний кутовий момент частинки, пов’язаний з поняттям просторової, або P-парності (визначеної симетрії хвильової функції щодо дзеркальної інверсії). У відповідності з комбінацією спина S і внутрішньої (пов’язаної з власною системою відліку частинки) P-парності розрізняють наступні типи мезонів:
- псевдоскалярні – найбільш легкі (S = 0, P = -1);
- векторні (S = 1, P = -1);
- скалярні (S = 0, P = 1);
- псевдовекторные (S = 1, P = 1).
Останні три типи – це мезони досить масивні, що представляють собою високоенергетичні стану.
Изотопическая і унітарна симетрії
Для класифікації мезонів зручно використовувати спеціальне квантове число – ізотопічний спін. У сильних процесах частинки з однаковим значенням изоспина беруть участь симетрично, незалежно від їх електричного заряду, і можуть бути представлені як різні зарядовые стану (проекції изоспина) одного об’єкта. Сукупність таких частинок, дуже близьких за масою, називається изомультиплетом. Наприклад, изотриплет півоній включає три стани: π+, π0 і π–мезон.
Значення изоспина обчислюється за формулою I = (N–1)/2, де N – кількість частинок в мультиплете. Так, изоспин півонії дорівнює 1, а його проекції Iz в особливому зарядовом просторі дорівнюють відповідно +1, 0 і -1. Четвірка дивних мезонів – каонов – утворює два изодублета: K+ і K0 з изоспином +½ і старанністю +1 та дублет античастинок K – K0, у яких ці величини від’ємні.
Електричний заряд адронів (і мезонів в тому числі) Q пов’язаний з проекцією изоспина Iz і так званим гиперзарядом Y (сумою баріонної числа і всіх флейворных чисел). Цей зв’язок виражається формулою Нисидзимы–Гелл-Манна: Q = Iz + Y/2. Ясно, що всі члени одного мультиплета мають однаковий гіперзаряд. Барионное число мезонів дорівнює нулю.
Потім мезони групуються з додатковим урахуванням спина і парності в супермультиплеты. Вісім псевдоскалярных мезонів утворюють октет, векторні частинки – нонет (дев’ятку) і так далі. Це прояв симетрії більш високого рівня, що називається унітарною.
Мезони і пошук Нової фізики
В даний час фізики ведуть активний пошук явищ, опис яких призвело б до розширення Стандартної моделі і до виходу за її межі з побудовою більш глибокої і загальної теорії мікросвіту – Нової фізики. Передбачається, що Стандартна модель увійде в неї в якості граничного, низькоенергетичного випадку. У цьому пошуку дослідження мезонів відіграє важливу роль.
Особливо великий інтерес представляють екзотичні мезони – частинки, що мають структуру, не вкладається в рамки звичайної моделі. Так, на Великому адронному колайдері в 2014 році підтверджений тетракварк Z(4430) – пов’язане стан двох кварк-антикварковых пар udcc, проміжний продукт розпаду чарівного B-мезона. Ці розпади цікаві і в плані можливого виявлення гіпотетичного нового класу частинок – лептокварков.
Моделі передбачають і інші екзотичні стану, які повинні класифікуватися як мезони, оскільки беруть участь в сильних процесах, але мають при цьому нульове барионное число – наприклад, глюболы, утворені тільки глюонами без кварків. Всі подібні об’єкти можуть суттєво поповнити наші знання про природу фундаментальних взаємодій та сприяти подальшому розвитку фізики мікросвіту.
