Teen die middel van die 20ste eeu het die konsep van "deeltjie dieretuin" in fisika verskyn, wat 'n verskeidenheid elementêre bestanddele van materie beteken, wat wetenskaplikes teëgekom het nadat voldoende kragtige versnellers geskep is. Een van die mees talryke inwoners van die "dieretuin" was voorwerpe wat mesone genoem word. Hierdie familie van deeltjies word saam met barione by die groot groep hadrone ingesluit. Hulle studie het dit moontlik gemaak om tot 'n dieper vlak van die struktuur van materie deur te dring en het bygedra tot die ordening van kennis daaroor in die moderne teorie van fundamentele deeltjies en interaksies - die Standaardmodel.
Ontdekkinggeskiedenis
In die vroeë 1930's, nadat die samestelling van die atoomkern uitgeklaar is, het die vraag ontstaan oor die aard van die kragte wat die bestaan daarvan verseker het. Dit was duidelik dat die interaksie wat nukleone bind uiters intens moet wees en uitgevoer moet word deur die uitruiling van sekere deeltjies. Berekeninge wat in 1934 deur die Japannese teoretikus H. Yukawa uitgevoer is, het getoon dat hierdie voorwerpe 200–300 keer groter as die elektron in massa is en,onderskeidelik verskeie kere minderwaardig aan die proton. Later het hulle die naam van mesons ontvang, wat in Grieks "middel" beteken. Hulle eerste direkte opsporing het egter geblyk 'n "misbrand" te wees as gevolg van die nabyheid van die massas baie verskillende deeltjies.
In 1936 is voorwerpe (dit is mu-mesone genoem) met 'n massa wat ooreenstem met Yukawa se berekeninge in kosmiese strale ontdek. Dit het gelyk of die gesoekte kwantum van kernkragte gevind is. Maar toe blyk dit dat mu-mesone deeltjies is wat nie verband hou met die uitruilinteraksies tussen nukleone nie. Hulle, saam met die elektron en neutrino, behoort aan 'n ander klas voorwerpe in die mikrokosmos - leptone. Die deeltjies is hernoem na muone en die soektog het voortgegaan.
Yukawa-kwanta is eers in 1947 ontdek en is "pi-mesons" of pione genoem. Dit het geblyk dat 'n elektries gelaaide of neutrale pi-meson inderdaad die deeltjie is waarvan die uitruiling nukleone in die kern laat saambestaan.
Mesonstruktuur
Dit het feitlik onmiddellik duidelik geword: die pioene het nie alleen na die "deeltjiedieretuin" gekom nie, maar saam met talle familielede. Dit was egter as gevolg van die aantal en verskeidenheid van hierdie deeltjies dat dit moontlik was om vas te stel dat dit kombinasies van 'n klein aantal fundamentele voorwerpe is. Quarks het geblyk sulke strukturele elemente te wees.
Meson is 'n gebonde toestand van 'n kwark en 'n antikwark (die verbinding word uitgevoer deur middel van kwanta van sterk interaksie - gluone). Die "sterk" lading van 'n kwark is 'n kwantumgetal, wat gewoonlik "kleur" genoem word. Alle hadrons egteren mesone onder hulle, is kleurloos. Wat beteken dit? 'n Meson kan gevorm word deur 'n kwark en 'n antikwark van verskillende tipes (of, soos hulle sê, geure, "geure"), maar dit kombineer altyd kleur en antikleur. Byvoorbeeld, π+-meson word gevorm deur 'n paar u-kwark - anti-d-kwark (ud̄), en die kombinasie van hul kleurladings kan "blou - anti-" wees blou", "rooi - anti-rooi" of groen-anti-groen. Die uitruil van gluone verander die kleur van die kwarks, terwyl die meson kleurloos bly.
Kwarke van ouer generasies, soos s, c en b, gee die ooreenstemmende geure aan die mesone wat hulle vorm – vreemdheid, sjarme en sjarme, uitgedruk deur hul eie kwantumgetalle. Die heelgetal elektriese lading van die meson bestaan uit die fraksionele ladings van die deeltjies en antideeltjies wat dit vorm. Benewens hierdie paar, wat valenskwarke genoem word, sluit die meson baie ("see") virtuele pare en gluone in.
Mesons en fundamentele kragte
Mesons, of liewer, die kwarks waaruit hulle bestaan, neem deel aan alle soorte interaksies wat deur die Standaardmodel beskryf word. Die intensiteit van die interaksie hou direk verband met die simmetrie van die reaksies wat daardeur veroorsaak word, dit wil sê met die behoud van sekere hoeveelhede.
Swak prosesse is die minste intens, dit bespaar energie, elektriese lading, momentum, hoekmomentum (spin) – met ander woorde, slegs universele simmetrieë werk. In die elektromagnetiese interaksie word die pariteit en geurkwantumgetalle van mesone ook bewaar. Dit is die prosesse wat 'n belangrike rol in die reaksies speelverval.
Die sterk interaksie is die mees simmetriese, wat ander hoeveelhede bewaar, veral isospin. Dit is verantwoordelik vir die behoud van nukleone in die kern deur ioonuitruiling. Deur gelaaide pi-mesone uit te straal en te absorbeer, ondergaan die proton en neutron wedersydse transformasies, en tydens die uitruiling van 'n neutrale deeltjie bly elkeen van die nukleone homself. Hoe dit op die vlak van kwarke voorgestel kan word, word in die figuur hieronder getoon.
Die sterk interaksie beheer ook die verstrooiing van mesone deur nukleone, hul produksie in hadronbotsings en ander prosesse.
Wat is quarkonium
Die kombinasie van 'n kwark en 'n antikwark met dieselfde geur word quarkonia genoem. Hierdie term word gewoonlik toegepas op mesone wat massiewe c- en b-kwarke bevat. 'n Uiters swaar t-kwark het glad nie tyd om 'n gebonde toestand te betree nie, en verval onmiddellik in ligter. Die kombinasie cc̄ word charmonium genoem, of 'n deeltjie met verborge sjarme (J/ψ-meson); die kombinasie bb̄ is bottomonium, wat 'n verborge sjarme (Υ-meson) het. Albei word gekenmerk deur die teenwoordigheid van baie resonante - opgewonde - state.
Deeltjies gevorm deur ligkomponente - uū, dd̄ of ss̄ - is 'n superposisie (superposisie) van geure, aangesien die massas van hierdie kwarke naby in waarde is. Dus, die neutrale π0-meson is 'n superposisie van die state uū en dd̄, wat dieselfde stel kwantumgetalle het.
Meson-onstabiliteit
Die kombinasie van deeltjie en teendeeltjie lei totdat die lewe van enige meson eindig in hul uitwissing. Die leeftyd hang af van watter interaksie die verval beheer.
- Mesone wat deur die kanaal van "sterk" uitwissing, byvoorbeeld, tot gluone verval met die daaropvolgende geboorte van nuwe mesone, leef nie baie lank nie - 10-20 - 10 - 21 bl. 'n Voorbeeld van sulke deeltjies is quarkonia.
- Elektromagnetiese uitwissing is ook taamlik intens: die leeftyd van die π0-meson, wie se kwark-antikwark-paar met 'n waarskynlikheid van amper 99% in twee fotone vernietig, is ongeveer 8 ∙ 10 -17 s.
- Swak uitwissing (verval in leptone) verloop met baie minder intensiteit. Dus, 'n gelaaide pion (π+ – ud̄ – of π- – dū) leef nogal lank – gemiddeld 2,6 ∙ 10-8 s en verval gewoonlik in 'n muon en 'n neutrino (of die ooreenstemmende teendeeltjies).
Die meeste mesone is die sogenaamde hadron-resonansies, kortstondige (10-22 – 10-24 c) verskynsels wat voorkom in sekere hoë energiegebiede, soortgelyk aan die opgewekte toestande van die atoom. Hulle word nie op die detektors geregistreer nie, maar word bereken op grond van die energiebalans van die reaksie.
Spin, orbitale momentum en pariteit
Anders as barione, is mesone elementêre deeltjies met 'n heelgetalwaarde van die spingetal (0 of 1), dit wil sê, hulle is bosone. Quarks is fermione en het halfheelgetal spin ½. As die momentummomente van 'n kwark en 'n antikwark parallel is, dan is hulledie som - meson spin - is gelyk aan 1, indien antiparallel, sal dit gelyk wees aan nul.
As gevolg van die onderlinge sirkulasie van 'n paar komponente, het die meson ook 'n orbitale kwantumgetal, wat bydra tot sy massa. Die orbitale momentum en spin bepaal die totale hoekmomentum van die deeltjie, geassosieer met die konsep van ruimtelike, of P-pariteit ('n sekere simmetrie van die golffunksie met betrekking tot spieëlinversie). In ooreenstemming met die kombinasie van spin S en interne (verwant aan die deeltjie se eie verwysingsraamwerk) P-pariteit, word die volgende tipes mesone onderskei:
- pseudoskalaar - die ligste (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalaar (S=0, P=1);
- pseudo-vektor (S=1, P=1).
Die laaste drie tipes is baie massiewe mesone, wat hoë-energietoestande is.
Isotopiese en eenheidsimmetrieë
Vir die klassifikasie van mesone is dit gerieflik om 'n spesiale kwantumgetal te gebruik - isotopiese spin. In sterk prosesse neem deeltjies met dieselfde isospinwaarde simmetries deel, ongeag hul elektriese lading, en kan voorgestel word as verskillende ladingstoestande (isospinprojeksies) van een voorwerp. 'n Stel sulke deeltjies, wat baie naby in massa is, word 'n isomultiple genoem. Byvoorbeeld, die pion-isotriplet sluit drie toestande in: π+, π0 en π--meson.
Die waarde van isospin word bereken deur die formule I=(N–1)/2, waar N die aantal deeltjies in die veelvoud is. Dus, die isospin van 'n pion is gelyk aan 1, en sy projeksies Iz in 'n spesiale ladingspasie is onderskeidelik +1, 0 en -1. Die vier vreemde mesone - kaone - vorm twee isodublette: K+ en K0 met isospin +½ en vreemdheid +1 en die dublet van antideeltjies K- en K̄0, waarvoor hierdie waardes negatief is.
Die elektriese lading van hadrone (insluitend mesone) Q hou verband met die isospin-projeksie Iz en die sogenaamde hiperlading Y (die som van die bariongetal en alle smaak getalle). Hierdie verwantskap word uitgedruk deur die Nishijima–Gell-Mann-formule: Q=Iz + Y/2. Dit is duidelik dat alle lede van een veelvoud dieselfde hiperlading het. Die bariongetal mesone is nul.
Dan word die mesone gegroepeer met bykomende spin en pariteit in supermultiplette. Agt pseudoskalêre mesone vorm 'n oktet, vektordeeltjies vorm 'n nonet (nege), ensovoorts. Dit is 'n manifestasie van 'n hoër vlak simmetrie genoem unitêr.
Mesons en die soektog na nuwe fisika
Tans is fisici aktief op soek na verskynsels, waarvan die beskrywing sou lei tot die uitbreiding van die Standaardmodel en om verder te gaan met die konstruksie van 'n dieper en meer algemene teorie van die mikrowêreld - Nuwe Fisika. Daar word aanvaar dat die Standaardmodel dit as 'n beperkende, lae-energie geval sal betree. In hierdie soektog speel die studie van mesone 'n belangrike rol.
Van besondere belang is eksotiese mesone - deeltjies met 'n struktuur wat nie in die raamwerk van die gewone model pas nie. Dus, by die Groot HadronCollider het in 2014 die Z(4430)-tetraquark bevestig, 'n gebonde toestand van twee ud̄cc̄-kwark-antikwark-pare, 'n intermediêre vervalproduk van die pragtige B meson. Hierdie verval is ook interessant in terme van die moontlike ontdekking van 'n hipotetiese nuwe klas deeltjies - leptoquarks.
Modelle voorspel ook ander eksotiese toestande wat as mesone geklassifiseer moet word, aangesien hulle aan sterk prosesse deelneem, maar geen bariongetal het, soos gomballetjies, wat slegs deur gluone sonder kwarks gevorm word. Al sulke voorwerpe kan ons kennis van die aard van fundamentele interaksies aansienlik aanvul en bydra tot die verdere ontwikkeling van die fisika van die mikrowêreld.
