Sredinom 20. stoljeća u fizici se pojavio koncept "zoološkog vrta čestica", što znači niz elementarnih sastojaka materije, s kojima su se znanstvenici susreli nakon što su stvoreni dovoljno snažni akceleratori. Jedan od najbrojnijih stanovnika "zoološkog vrta" bili su objekti zvani mezoni. Ova obitelj čestica, zajedno s barionima, uključena je u veliku skupinu hadrona. Njihovo proučavanje omogućilo je prodiranje na dublju razinu strukture materije i pridonijelo uređenju znanja o njoj u modernu teoriju osnovnih čestica i interakcija - Standardni model.
Povijest otkrića
Početkom 1930-ih, nakon što je razjašnjen sastav atomske jezgre, postavilo se pitanje o prirodi sila koje su osiguravale njezino postojanje. Bilo je jasno da interakcija koja veže nukleone mora biti iznimno intenzivna i odvijati se izmjenom određenih čestica. Proračuni koje je 1934. izvršio japanski teoretičar H. Yukawa pokazali su da su ti objekti 200-300 puta veći od mase elektrona i,odnosno nekoliko puta inferioran u odnosu na proton. Kasnije su dobili ime mezon, što na grčkom znači "sredina". Međutim, pokazalo se da je njihova prva izravna detekcija bila "preskakanje" zbog blizine masa vrlo različitih čestica.
Godine 1936. u kozmičkim zrakama otkriveni su objekti (zvali su se mu-mezoni) s masom koja odgovara Yukawinim izračunima. Činilo se da je traženi kvant nuklearnih sila pronađen. Ali onda se pokazalo da su mu-mezoni čestice koje nisu povezane s međudjelovanjem razmjene između nukleona. Oni, zajedno s elektronom i neutrinom, pripadaju drugoj klasi objekata u mikrokozmosu - leptonima. Čestice su preimenovane u mioni i potraga se nastavila.
Yukawa kvante otkriveni su tek 1947. godine i nazvani su "pi-mezoni" ili pioni. Pokazalo se da je električni nabijeni ili neutralni pi-mezon doista čestica čija izmjena omogućuje koegzistiranje nukleona u jezgri.
Meson struktura
Postalo je gotovo odmah: božuri su došli u "zoološki vrt čestica" ne sami, već s brojnim rođacima. Međutim, zahvaljujući broju i raznolikosti tih čestica bilo je moguće utvrditi da se radi o kombinacijama malog broja temeljnih objekata. Ispostavilo se da su kvarkovi takvi strukturni elementi.
Mezon je vezano stanje kvarka i antikvarka (veza se vrši pomoću kvanta jake interakcije - gluona). "Jaki" naboj kvarka je kvantni broj, konvencionalno nazvan "boja". Međutim, svi hadronia mezoni među njima su bezbojni. Što to znači? Mezon mogu tvoriti kvark i antikvark različitih tipova (ili, kako se kaže, okusa, "okusa"), ali uvijek kombinira boju i antiboju. Na primjer, π+-mezon tvori par u-kvark - anti-d-kvark (ud̄), a kombinacija njihovih naboja u boji može biti "plavo - anti- plava", "crvena - anti-crvena" ili zelena-anti-zelena. Razmjena gluona mijenja boju kvarkova, dok mezon ostaje bezbojan.
Kvarkovi starijih generacija, kao što su s, c i b, daju odgovarajuće arome mezonima koje tvore - neobičnost, šarm i šarm, izražene vlastitim kvantnim brojevima. Cjelobrojni električni naboj mezona sastoji se od frakcijskih naboja čestica i antičestica koje ga tvore. Osim ovog para, zvanog valentni kvarkovi, mezon uključuje mnoge ("morske") virtualne parove i gluone.
Mezoni i fundamentalne sile
Mezoni, odnosno kvarkovi koji ih čine, sudjeluju u svim vrstama interakcija opisanih Standardnim modelom. Intenzitet interakcije izravno je povezan sa simetrijom reakcija koje ona izaziva, odnosno sa očuvanjem određenih veličina.
Slabi procesi su najmanje intenzivni, oni štede energiju, električni naboj, zamah, kutni moment (spin) – drugim riječima, djeluju samo univerzalne simetrije. U elektromagnetskoj interakciji, paritet i kvantni brojevi mezona također su očuvani. To su procesi koji igraju važnu ulogu u reakcijamapropadanje.
Jaka interakcija je najsimetričnija, čuvajući druge količine, posebno izospin. Odgovoran je za zadržavanje nukleona u jezgri putem ionske izmjene. Emitirajući i apsorbirajući nabijene pi-mezone, proton i neutron prolaze međusobne transformacije, a tijekom izmjene neutralne čestice svaki od nukleona ostaje sam za sebe. Kako se to može predstaviti na razini kvarkova prikazano je na donjoj slici.
Snažna interakcija također upravlja raspršivanjem mezona nukleonima, njihovom proizvodnjom u sudarima hadrona i drugim procesima.
Što je kvarkonij
Kombinacija kvarka i antikvarka istog okusa naziva se kvarkonija. Ovaj se izraz obično primjenjuje na mezone koji sadrže masivne c- i b-kvarkove. Ekstremno teški t-kvark uopće nema vremena za ulazak u vezano stanje, trenutno se raspada u lakše. Kombinacija cc̄ naziva se charmonium, odnosno čestica sa skrivenim šarmom (J/ψ-mezon); kombinacija bb̄ je bottomonij, koji ima skrivenu draž (Υ-mezon). Oba karakterizira prisutnost mnogih rezonantnih - uzbuđenih - stanja.
Čestice formirane od svjetlosnih komponenti - uū, dd̄ ili ss̄ - su superpozicija (superpozicija) okusa, budući da su mase ovih kvarkova bliske vrijednosti. Dakle, neutralni π0-mezon je superpozicija stanja uū i dd̄, koja imaju isti skup kvantnih brojeva.
Mesonska nestabilnost
Kombinacija čestice i antičestice rezultirada život svakog mezona završava njihovim uništenjem. Životni vijek ovisi o tome koja interakcija kontrolira propadanje.
- Mezoni koji se raspadaju kroz kanal "jake" anihilacije, recimo, u gluone s naknadnim rođenjem novih mezona, ne žive jako dugo - 10-20 - 10 - 21 str. Primjer takvih čestica je kvarkonija.
- Elektromagnetska anihilacija je također prilično intenzivna: životni vijek π0-mezona, čiji se par kvark-antikvark poništava u dva fotona s vjerojatnošću od gotovo 99%, je oko 8 ∙ 10 -17 s.
- Slaba anihilacija (raspad u leptone) se odvija s mnogo manjim intenzitetom. Dakle, nabijeni pion (π+ – ud̄ – ili π- – dū) živi prilično dugo – u prosjeku 2,6 ∙ 10-8 s i obično se raspada u mion i neutrino (ili odgovarajuće antičestice).
Većina mezona su takozvane hadronske rezonancije, kratkotrajne (10-22 – 10-24 c) fenomeni koji javljaju se u određenim rasponima visoke energije, slično pobuđenim stanjima atoma. Oni se ne registriraju na detektorima, već se izračunavaju na temelju energetske bilance reakcije.
Spin, orbitalni moment i paritet
Za razliku od bariona, mezoni su elementarne čestice s cjelobrojnom vrijednošću spin broja (0 ili 1), to jest, oni su bozoni. Kvarkovi su fermioni i imaju polucijeli spin ½. Ako su momenti zamaha kvarka i antikvarka paralelni, onda su njihovizbroj - mezonski spin - jednak je 1, ako je antiparalelan, bit će jednak nuli.
Zbog međusobnog kruženja para komponenti, mezon također ima orbitalni kvantni broj, što doprinosi njegovoj masi. Orbitalni moment i spin određuju ukupni kutni moment čestice, povezan s konceptom prostornog ili P-pariteta (određena simetrija valne funkcije s obzirom na inverziju zrcala). U skladu s kombinacijom spina S i unutarnjeg (povezanog s vlastitim referentnim okvirom čestice) P-pariteta, razlikuju se sljedeće vrste mezona:
- pseudoskalar - najlakši (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalar (S=0, P=1);
- pseudo-vektor (S=1, P=1).
Posljednje tri vrste su vrlo masivni mezoni, koji su visokoenergetska stanja.
Izotopske i unitarne simetrije
Za klasifikaciju mezona prikladno je koristiti poseban kvantni broj - izotopski spin. U jakim procesima čestice s istom vrijednošću izospina sudjeluju simetrično, bez obzira na njihov električni naboj, a mogu se predstaviti kao različita stanja naboja (izospin projekcije) jednog objekta. Skup takvih čestica, koje su po masi vrlo bliske, naziva se izomultiplet. Na primjer, izotriplet piona uključuje tri stanja: π+, π0 i π--mezon.
Vrijednost izospina izračunava se po formuli I=(N–1)/2, gdje je N broj čestica u multipletu. Dakle, izospin piona jednak je 1, a njegove projekcije Iz u posebnom nabojurazmak su redom +1, 0 i -1. Četiri čudna mezona - kaoni - formiraju dva izodubleta: K+ i K0 s izospinom +½ i neobičnošću +1 i dubletom antičestica K- i K̄0, za koje su ove vrijednosti negativne.
Električni naboj hadrona (uključujući mezone) Q povezan je s projekcijom izospina Iz i takozvanim hipernabojom Y (zbroj barionskog broja i svih aroma brojevi). Ovaj odnos je izražen Nishijima–Gell-Mann formulom: Q=Iz + Y/2. Jasno je da svi članovi jednog multipleta imaju isti hipernaboj. Barionski broj mezona je nula.
Zatim, mezoni se grupiraju s dodatnim spinom i paritetom u supermultiplete. Osam pseudoskalarnih mezona tvore oktet, vektorske čestice čine nonet (devet) i tako dalje. Ovo je manifestacija simetrije više razine koja se naziva unitarna.
Mezoni i potraga za novom fizikom
Trenutačno fizičari aktivno traže fenomene čiji bi opis doveo do širenja Standardnog modela i nadilaženja njega izgradnjom dublje i općenitije teorije mikrosvijeta - Nove fizike. Pretpostavlja se da će Standardni model ući u njega kao ograničavajući, niskoenergetski slučaj. U ovoj potrazi, proučavanje mezona igra važnu ulogu.
Posebno su zanimljivi egzotični mezoni - čestice strukture koja se ne uklapa u okvir uobičajenog modela. Dakle, na Velikom hadronuCollider je 2014. potvrdio tetrakvark Z(4430), vezano stanje dvaju para ud̄cc̄ kvark-antikvark, međuproizvod raspada prekrasnog B mezona. Ovi raspadi su također zanimljivi u smislu mogućeg otkrića hipotetske nove klase čestica - leptokvarkova.
Modeli također predviđaju druga egzotična stanja koja bi se trebala klasificirati kao mezoni, budući da sudjeluju u jakim procesima, ali imaju nula bariona, kao što su glueballs, formirane samo od gluona bez kvarkova. Svi takvi objekti mogu značajno nadopuniti naše znanje o prirodi temeljnih interakcija i doprinijeti daljnjem razvoju fizike mikrosvijeta.
