К середине XX века в физике появилось понятие «зоопарка частиц», означающее множество разнообразных элементарных составляющих материи, с которым столкнулись ученые после того, как были созданы достаточно мощные ускорители. Одними из самых многочисленных обитателей «зоопарка» стали объекты, получившие название мезонов. Это семейство частиц наряду с барионами входит в обширную группу адронов. Изучение их позволило проникнуть на более глубокий уровень структуры материи и способствовало упорядочению знаний о ней в современную теорию фундаментальных частиц и взаимодействий – Стандартную модель.
История открытия
Вам будет интересно:Рычаг в физике: условие равновесия и виды механизмов
В начале 1930 годов, после прояснения состава атомного ядра, встал вопрос о природе сил, обеспечивающих его существование. Было ясно, что взаимодействие, связывающее нуклоны, должно быть чрезвычайно интенсивным и осуществляться путем обмена некими частицами. Расчеты, выполненные в 1934 году японским теоретиком Х. Юкавой, показали, что по массе эти объекты превосходят электрон в 200–300 раз и, соответственно, в несколько раз уступают протону. Позднее они получили наименование мезонов, что в переводе с греческого означает «средний». Однако их первое прямое обнаружение оказалось «осечкой», связанной с близостью значения масс очень разных частиц.
Вам будет интересно:Архитектура Флоренции эпохи Возрождения
В 1936 году в космических лучах были открыты объекты (их назвали мю-мезонами) с массой, соответствующей расчетам Юкавы. Казалось, искомый квант ядерных сил найден. Но затем выяснилось, что мю-мезоны – это частицы, не имеющие отношения к обменным взаимодействиям между нуклонами. Они вместе с электроном и нейтрино относятся к другому классу объектов микромира – лептонам. Частицы были переименованы в мюоны, а поиски продолжались.
Кванты Юкавы были обнаружены только в 1947 году и получили название «пи-мезоны», или пионы. Оказалось, что электрически заряженный либо нейтральный пи-мезон – это действительно та частица, обмен которой позволяет нуклонам сосуществовать в ядре.
Структура мезонов
Вам будет интересно:Правило равновесия рычага в физике: пример решения задачи
Практически сразу стало понятно: пионы пришли в «зоопарк частиц» не одни, а с многочисленными родственниками. Однако именно благодаря количеству и разнообразию этих частиц удалось установить, что они являются комбинациями небольшого числа фундаментальных объектов. Такими структурными элементами оказались кварки.
Мезон представляет собой связанное состояние кварка и антикварка (связь осуществляется посредством квантов сильного взаимодействия - глюонов). «Сильный» заряд кварка – это квантовое число, условно называемое «цветом». Однако все адроны, и мезоны в их числе, бесцветны. Что это значит? Мезон может быть образован кварком и антикварком разных типов (или, как принято говорить, ароматов, «флейворов»), но всегда сочетает цвет и антицвет. Например, π+-мезон образуется парой u-кварк – анти-d-кварк (ud̄), а сочетание их цветных зарядов может быть «синий – антисиний», «красный – антикрасный» либо «зеленый – антизеленый». Обмен глюонами изменяет цвет кварков, мезон же при этом остается бесцветным.
Кварки старших поколений, такие как s, c и b, сообщают образуемым ими мезонам соответствующие ароматы – странность, очарование и прелесть, выражаемые собственными квантовыми числами. Целочисленный электрический заряд мезона складывается из дробных зарядов образующих его частицы и античастицы. Помимо этой пары, именуемой валентными кварками, в состав мезона входит множество («море») виртуальных пар и глюонов.
Мезоны и фундаментальные силы
Мезоны, а точнее, составляющие их кварки, участвуют во всех типах взаимодействий, описываемых Стандартной моделью. Интенсивность взаимодействия прямо связана с симметричностью обусловленных им реакций, то есть с сохранением тех или иных величин.
Наименее интенсивны слабые процессы, в них сохраняются энергия, электрический заряд, импульс, момент импульса (спин), – иначе говоря, действуют лишь универсальные симметрии. В электромагнитном взаимодействии сохраняются также четность и флейворные квантовые числа мезонов. Это – процессы, играющие важную роль в реакциях распада.
Сильное взаимодействие наиболее симметрично, сохраняя и другие величины, в частности, изоспин. Оно ответственно за удержание нуклонов в ядре посредством ионного обмена. Испуская и поглощая заряженные пи-мезоны, протон и нейтрон испытывают взаимные превращения, а при обмене нейтральной частицей каждый из нуклонов остается самим собой. Как это может быть представлено на уровне кварков, демонстрирует рисунок, приведенный ниже.
Вам будет интересно:Правило равновесия рычага в физике: пример решения задачи
Сильное взаимодействие также управляет рассеянием мезонов на нуклонах, рождением их в адронных столкновениях и другими процессами.
Что такое кварконий
Сочетание кварка и антикварка одного аромата принято именовать кварконием. Данный термин, как правило, применяется к мезонам, в составе которых есть массивные c- и b-кварки. Чрезвычайно тяжелый t-кварк вообще не успевает вступить в связанное состояние, мгновенно распадаясь на более легкие. Сочетание cc̄ называется чармонием, или частицей со скрытым очарованием (J/ψ-мезон); сочетание bb̄ - боттомонием, которому присуща скрытая прелесть (Υ-мезон). Оба характеризуются наличием множества резонансных – возбужденных – состояний.
Частицы, образуемые легкими компонентами – uū, dd̄ или ss̄ – являют собой суперпозицию (наложение) ароматов, поскольку массы этих кварков близки по значению. Так, нейтральный π0-мезон – суперпозиция состояний uū и dd̄, обладающих одинаковым набором квантовых чисел.
Нестабильность мезонов
Комбинация частицы и античастицы приводит к тому, что жизнь любого мезона оканчивается их аннигиляцией. Время жизни зависит от того, какое взаимодействие управляет распадом.
- Мезоны, распадающиеся по каналу «сильной» аннигиляции, скажем, на глюоны с последующим рождением новых мезонов, живут совсем недолго – 10-20 – 10-21 с. Пример таких частиц – кварконии.
- Электромагнитная аннигиляция также достаточно интенсивна: время жизни π0-мезона, кварк-антикварковая пара которого аннигилирует с вероятностью почти 99% в два фотона, составляет около 8 ∙ 10-17 с.
- Слабая аннигиляция (распад на лептоны) протекает с гораздо меньшей интенсивностью. Так, заряженный пион (π+ – ud̄ – или π- – dū) живет довольно долго – в среднем 2,6 ∙ 10-8 с и распадается обычно на мюон и нейтрино (или на соответствующие античастицы).
Большинство мезонов – это так называемые адронные резонансы, короткоживущие (10-22 – 10-24 c) явления, возникающие в определенных диапазонах высоких энергий, аналогичные возбужденным состояниям атома. Они не регистрируются на детекторах, а вычисляются исходя из энергетического баланса реакции.
Спин, орбитальный момент и четность
В отличие от барионов, мезоны – это элементарные частицы, обладающие целочисленным значением спинового числа (0 или 1), то есть они представляют собой бозоны. Кварки же являются фермионами и имеют полуцелый спин ½. Если моменты импульса кварка и антикварка параллельны, то их сумма – спин мезона – равна 1, если антипараллельны, он будет равняться нулю.
Благодаря взаимному обращению пары компонентов мезон имеет также орбитальное квантовое число, которое вносит вклад в его массу. Орбитальный момент и спин определяют полный угловой момент частицы, связанный с понятием пространственной, или P-четности (определенной симметрии волновой функции относительно зеркальной инверсии). В соответствии с комбинацией спина S и внутренней (связанной с собственной системой отсчета частицы) P-четности различают следующие типы мезонов:
- псевдоскалярные – наиболее легкие (S = 0, P = -1);
- векторные (S = 1, P = -1);
- скалярные (S = 0, P = 1);
- псевдовекторные (S = 1, P = 1).
Последние три типа – это мезоны весьма массивные, представляющие собой высокоэнергетические состояния.
Изотопическая и унитарная симметрии
Для классификации мезонов удобно использовать специальное квантовое число – изотопический спин. В сильных процессах частицы с одинаковым значением изоспина участвуют симметрично, независимо от их электрического заряда, и могут быть представлены как различные зарядовые состояния (проекции изоспина) одного объекта. Совокупность таких частиц, очень близких по массе, называется изомультиплетом. Например, изотриплет пионов включает три состояния: π+, π0 и π--мезон.
Значение изоспина вычисляется по формуле I = (N–1)/2, где N – количество частиц в мультиплете. Так, изоспин пиона равен 1, а его проекции Iz в особом зарядовом пространстве равны соответственно +1, 0 и -1. Четверка странных мезонов – каонов – образует два изодублета: K+ и K0 с изоспином +½ и странностью +1 и дублет античастиц K- и K̄0, у которых эти величины отрицательны.
Электрический заряд адронов (и мезонов в том числе) Q связан с проекцией изоспина Iz и так называемым гиперзарядом Y (суммой барионного числа и всех флейворных чисел). Эта связь выражается формулой Нисидзимы–Гелл-Манна: Q = Iz + Y/2. Ясно, что все члены одного мультиплета имеют одинаковый гиперзаряд. Барионное число мезонов равно нулю.
Затем мезоны группируются с дополнительным учетом спина и четности в супермультиплеты. Восемь псевдоскалярных мезонов образуют октет, векторные частицы – нонет (девятку) и так далее. Это проявление симметрии более высокого уровня, называемой унитарной.
Мезоны и поиск Новой физики
В настоящее время физики ведут активный поиск явлений, описание которых привело бы к расширению Стандартной модели и к выходу за ее пределы с построением более глубокой и общей теории микромира – Новой физики. Предполагается, что Стандартная модель войдет в нее в качестве предельного, низкоэнергетического случая. В этом поиске исследование мезонов играет важную роль.
Особенно большой интерес представляют экзотические мезоны – частицы, имеющие структуру, не укладывающуюся в рамки обычной модели. Так, на Большом адронном коллайдере в 2014 году подтвержден тетракварк Z(4430) – связанное состояние двух кварк-антикварковых пар ud̄cc̄, промежуточный продукт распада прелестного B-мезона. Эти распады интересны и в плане возможного обнаружения гипотетического нового класса частиц – лептокварков.
Модели предсказывают и другие экзотические состояния, которые должны классифицироваться как мезоны, поскольку участвуют в сильных процессах, но имеют при этом нулевое барионное число – например, глюболы, образуемые только глюонами без кварков. Все подобные объекты могут существенно пополнить наши знания о природе фундаментальных взаимодействий и способствовать дальнейшему развитию физики микромира.