1900-luvun puoliväliin mennessä fysiikkaan ilmestyi käsite "hiukkaseläintarha", joka tarkoitti erilaisia aineen alkuaineosia, jotka tiedemiehet kohtasivat riittävän tehokkaiden kiihdytinten luomisen jälkeen. Yksi "eläintarhan" lukuisista asukkaista oli esineitä, joita kutsutaan mesoneiksi. Tämä hiukkasperhe kuuluu baryonien ohella suureen hadronien ryhmään. Heidän tutkimuksensa mahdollisti tunkeutumisen aineen rakenteen syvemmälle tasolle ja myötävaikutti sitä koskevan tiedon järjestymiseen perushiukkasten ja vuorovaikutusten nykyaikaiseen teoriaan - standardimalliin.
Löytöhistoria
1930-luvun alussa, kun atomiytimen koostumus oli selvitetty, heräsi kysymys sen olemassaolon varmistaneiden voimien luonteesta. Oli selvää, että nukleoneja sitovan vuorovaikutuksen on oltava äärimmäisen intensiivistä ja se tapahtuu tiettyjen hiukkasten vaihdon kautta. Japanilaisen teoreetikko H. Yukawan vuonna 1934 tekemät laskelmat osoittivat, että nämä esineet ovat mass altaan 200–300 kertaa suurempia kuin elektroni.vastaavasti useita kertoja huonompi kuin protoni. Myöhemmin he saivat mesonien nimen, joka kreikaksi tarkoittaa "keskiosaa". Heidän ensimmäinen suora havaintonsa osoittautui kuitenkin "sytytyshäiriöksi", joka johtui hyvin erilaisten hiukkasten massojen läheisyydestä.
Vuonna 1936 kosmisista säteistä löydettiin esineitä (niitä kutsuttiin mu-mesoneiksi), joiden massa vastasi Yukawan laskelmia. Näytti siltä, että etsitty ydinvoimien kvantti oli löydetty. Mutta sitten kävi ilmi, että mu-mesonit ovat hiukkasia, jotka eivät liity nukleonien välisiin vaihtovuorovaikutuksiin. Ne, yhdessä elektronin ja neutriinon kanssa, kuuluvat toiseen mikrokosmoksen esineluokkaan - leptoneihin. Hiukkaset nimettiin uudelleen myoneiksi ja etsintää jatkettiin.
Yukawa-kvantit löydettiin vasta vuonna 1947 ja niitä kutsuttiin "pi-mesoneiksi" tai pioneiksi. Kävi ilmi, että sähköisesti varautunut tai neutraali pi-mesoni on todellakin se hiukkanen, jonka vaihto mahdollistaa nukleonien rinnakkaiselon ytimessä.
Meson-rakenne
Se kävi selväksi melkein heti: pionit eivät tulleet "hiukkaseläintarhaan" yksin, vaan lukuisten sukulaisten kanssa. Kuitenkin näiden hiukkasten lukumäärän ja monimuotoisuuden vuoksi oli mahdollista todeta, että ne ovat yhdistelmiä pienestä määrästä perusobjekteja. Kvarkit osoittautuivat sellaisiksi rakenneelementeiksi.
Meson on kvarkin ja antikvarkin sidottu tila (yhteys tapahtuu vahvan vuorovaikutuksen kvanttien - gluonien - avulla). Kvarkin "vahva" varaus on kvanttiluku, jota kutsutaan perinteisesti "väriksi". Kuitenkin kaikki hadronitja mesonit niiden joukossa ovat värittömiä. Mitä se tarkoittaa? Mesonin voidaan muodostaa erityyppisistä kvarkista ja antikvarkista (tai, kuten sanotaan, makuista, "makuista"), mutta se yhdistää aina värin ja antivärin. Esimerkiksi π+-mesoni muodostuu parista u-kvarkki - anti-d-kvarkki (ud̄), ja niiden värivarausten yhdistelmä voi olla "sininen - anti- sininen", "punainen - anti-punainen" tai vihreä-anti-vihreä. Gluonien vaihto muuttaa kvarkkien väriä, kun taas meson pysyy värittömänä.
Vanhempien sukupolvien kvarkit, kuten s, c ja b, antavat muodostamilleen mesoneille vastaavat maut - outoa, viehätystä ja viehätysvoimaa ilmaistuna omilla kvanttiluvuillaan. Mesonin kokonaisluku sähkövaraus koostuu sen muodostavien hiukkasten ja antihiukkasten murtovarauksista. Tämän valenssikvarkeiksi kutsutun parin lisäksi mesoni sisältää monia ("meri") virtuaalisia pareja ja gluoneja.
Mesonit ja perusvoimat
Mesonit, tai pikemminkin niitä muodostavat kvarkit, osallistuvat kaikentyyppisiin vakiomallin kuvaamiin vuorovaikutuksiin. Vuorovaikutuksen intensiteetti liittyy suoraan sen aiheuttamien reaktioiden symmetriaan eli tiettyjen määrien säilymiseen.
Heikot prosessit ovat vähiten intensiivisiä, ne säästävät energiaa, sähkövarausta, liikemäärää, kulmamomenttia (spin) – toisin sanoen vain universaalit symmetriat vaikuttavat. Sähkömagneettisessa vuorovaikutuksessa myös mesonien pariteetti- ja makukvanttiluvut säilyvät. Nämä ovat prosesseja, joilla on tärkeä rooli reaktioissarappeutuminen.
Vahva vuorovaikutus on symmetrisin, säilyttäen muut suureet, erityisesti isospinin. Se vastaa nukleonien pysymisestä ytimessä ioninvaihdon kautta. Säteilemällä ja absorboimalla varautuneita pi-mesoneja protoni ja neutroni läpikäyvät keskinäisiä muutoksia, ja neutraalin hiukkasen vaihdon aikana kumpikin nukleoneista pysyy omana itsenään. Kuinka tämä voidaan esittää kvarkkien tasolla, on esitetty alla olevassa kuvassa.
Vahva vuorovaikutus ohjaa myös nukleonien aiheuttamaa mesonien sirontaa, niiden tuotantoa hadronin törmäyksissä ja muissa prosesseissa.
Mikä on kvarkonium
Kvarkin ja samanmakuisen antikvarkin yhdistelmää kutsutaan kvarkoniaksi. Tätä termiä käytetään yleensä mesoneihin, jotka sisältävät massiivisia c- ja b-kvarkeja. Äärimmäisen raskaalla t-kvarkilla ei ole aikaa mennä sidottuun tilaan ollenkaan, vaan se hajoaa välittömästi kevyempiin. Yhdistelmää cc̄ kutsutaan charmoniumiksi tai hiukkaseksi, jolla on piilotettu viehätys (J/ψ-meson); yhdistelmä bb̄ on bottomonium, jolla on piilotettu viehätys (Υ-mesoni). Molemmille on ominaista monien resonoivien - virittyneiden - tilojen läsnäolo.
Kevyiden komponenttien - uū, dd̄ tai ss̄ - muodostamat hiukkaset ovat makujen superpositiota (superpositiota), koska näiden kvarkkien massat ovat lähellä arvoltaan. Siten neutraali π0-mesoni on superpositio tiloista uū ja dd̄, joilla on sama kvanttilukujoukko.
Mesonin epävakaus
Partikkelin ja antihiukkasen yhdistelmä johtaaettä minkä tahansa mesonin elämä päättyy heidän tuhoutumiseensa. Elinikä riippuu siitä, mikä vuorovaikutus ohjaa vaimenemista.
- Mesonit, jotka hajoavat "vahvan" tuhon kanavan kautta, esimerkiksi gluoneiksi uusien mesonien syntymän myötä, eivät elä kovin kauan - 10-20 - 10 - 21 s. Esimerkki tällaisista hiukkasista on kvarkonia.
- Sähkömagneettinen tuhoutuminen on myös melko intensiivistä: π0-mesonin, jonka kvarkki-antikvarkki-pari tuhoutuu kahdeksi fotoniksi lähes 99 %:n todennäköisyydellä, elinikä on n. 8 ∙ 10 -17 s.
- Heikko tuhoutuminen (hajoaminen leptoneiksi) etenee paljon pienemmällä intensiteetillä. Siten varautunut pioni (π+ – ud̄ – tai π- – dū) elää melko pitkään – keskimäärin 2,6 ∙ 10-8 s ja yleensä hajoaa myoniksi ja neutriinoksi (tai vastaaviksi antihiukkasiksi).
Useimmat mesonit ovat ns. hadroniresonansseja, lyhytaikaisia (10-22 – 10-24 c) ilmiöitä, jotka esiintyvät tietyillä korkean energian alueilla, jotka ovat samank altaisia kuin atomin viritystilat. Niitä ei rekisteröidä ilmaisimiin, vaan ne lasketaan reaktion energiatasapainon perusteella.
Spin, orbitaaliliikemäärä ja pariteetti
Toisin kuin baryonit, mesonit ovat alkeishiukkasia, joiden spin-luku on kokonaisluku (0 tai 1), eli ne ovat bosoneja. Kvarkit ovat fermioneja ja niillä on puolikokonaisluku spin ½. Jos kvarkin ja antikvarkin liikemäärä ovat samansuuntaiset, niin niiden liikemääräsumma - meson spin - on yhtä suuri kuin 1, jos antirinnakkais, se on yhtä suuri kuin nolla.
Komponenttiparin keskinäisen kierron ansiosta mesonilla on myös kiertoradan kvanttiluku, joka vaikuttaa sen massaan. Radan liikemäärä ja spin määräävät hiukkasen kokonaiskulmaliikemäärän, joka liittyy spatiaalisen tai P-pariteetin käsitteeseen (a altofunktion tietty symmetria peilin inversion suhteen). Spin S:n ja sisäisen (hiukkasen omaan vertailukehykseen liittyvän) P-pariteetin yhdistelmän mukaisesti erotetaan seuraavat mesonityypit:
- pseudoskalaarinen - kevyin (S=0, P=-1);
- vektori (S=1, P=-1);
- skalaari (S=0, P=1);
- pseudovektori (S=1, P=1).
Kolme viimeistä tyyppiä ovat erittäin massiivisia mesoneja, jotka ovat korkean energian tiloja.
Isotooppiset ja unitaariset symmetriat
Mesonien luokittelussa on kätevää käyttää erityistä kvanttilukua - isotooppispin. Vahvissa prosesseissa hiukkaset, joilla on sama isospin-arvo, osallistuvat symmetrisesti sähkövarauksestaan riippumatta ja ne voidaan esittää yhden kohteen eri varaustiloina (isospin-projektioina). Joukkoa tällaisia hiukkasia, jotka ovat mass altaan hyvin lähellä toisiaan, kutsutaan isomultipleteiksi. Esimerkiksi pionin isotripletti sisältää kolme tilaa: π+, π0 ja π--mesoni.
Isospinin arvo lasketaan kaavalla I=(N–1)/2, missä N on hiukkasten lukumäärä multipletissä. Siten pionin isospin on yhtä suuri kuin 1 ja sen projektiot Iz erikoisvarauksessavälilyönnit ovat vastaavasti +1, 0 ja -1. Neljä outoa mesonia - kaonia - muodostavat kaksi isoduplettia: K+ ja K0 isospinin +½ ja outouden +1 kanssa sekä antihiukkasten dupletin K- ja K̄0, joille nämä arvot ovat negatiivisia.
Hadronien (mukaan lukien mesonien) sähkövaraus Q liittyy isospin-projektioon Iz ja ns. hypervaraukseen Y (baryoniluvun ja kaikkien makujen summa numerot). Tämä suhde ilmaistaan Nishijima–Gell-Mannin kaavalla: Q=Iz + Y/2. On selvää, että kaikilla yhden multipletin jäsenillä on sama ylivaraus. Mesonien baryoniluku on nolla.
Sitten mesonit ryhmitellään ylimääräisellä spinillä ja pariteetilla supermultipleteiksi. Kahdeksan pseudoskalaarista mesonia muodostaa oktetin, vektorihiukkaset muodostavat nonetin (yhdeksän) ja niin edelleen. Tämä on osoitus korkeamman tason symmetriasta, jota kutsutaan unitaariksi.
Mesonit ja uuden fysiikan etsintä
Tällä hetkellä fyysikot etsivät aktiivisesti ilmiöitä, joiden kuvaus johtaisi Standardimallin laajentumiseen ja sen pidemmälle menemiseen rakentamalla syvempää ja yleisempää mikromaailman teoriaa - New Physics. Oletetaan, että vakiomalli tulee olemaan rajoittava, vähän energiaa kuluttava tapaus. Tässä haussa mesonien tutkimuksella on tärkeä rooli.
Erityisen kiinnostavia ovat eksoottiset mesonit - hiukkaset, joiden rakenne ei sovi tavallisen mallin kehykseen. Joten, Suuressa HadronissaCollider vuonna 2014 vahvisti Z(4430)-tetrakvarkin, kahden ud̄cc̄ kvarkki-antikvarkki -parin sidotun tilan, kauniin B-mesonin hajoamistuotteen. Nämä hajoamiset ovat mielenkiintoisia myös uuden hypoteettisen hiukkasluokan - leptokvarkkien - mahdollisen löytämisen kann alta.
Mallit ennustavat myös muita eksoottisia tiloja, jotka pitäisi luokitella mesoneiksi, koska ne osallistuvat vahvoihin prosesseihin, mutta niillä on nolla baryoniluku, kuten liimapalloja, jotka muodostuvat vain gluoneista ilman kvarkkeja. Kaikki tällaiset esineet voivat täydentää merkittävästi tietoamme perustavanlaatuisten vuorovaikutusten luonteesta ja edistää mikromaailman fysiikan jatkokehitystä.
