20. yüzyılın ortalarında, fizikte "parçacık hayvanat bahçesi" kavramı ortaya çıktı; bu, bilim adamlarının yeterince güçlü hızlandırıcılar oluşturulduktan sonra karşılaştığı, maddenin çeşitli temel bileşenlerini ifade eden bir kavramdı. "Hayvanat bahçesinin" en kalabalık sakinlerinden biri mezon adı verilen nesnelerdi. Baryonlarla birlikte bu parçacık ailesi, hadronların büyük grubuna dahildir. Çalışmaları, maddenin yapısının daha derin bir düzeyine inmeyi mümkün kıldı ve onun hakkındaki bilgilerin modern temel parçacıklar ve etkileşimler teorisine - Standart Model'e - düzenlenmesine katkıda bulundu.
Keşif geçmişi
1930'ların başında, atom çekirdeğinin bileşimi netleştikten sonra, varlığını sağlayan kuvvetlerin doğasıyla ilgili soru ortaya çıktı. Nükleonları bağlayan etkileşimin son derece yoğun olması ve belirli parçacıkların değiş tokuşu yoluyla gerçekleştirilmesi gerektiği açıktı. 1934'te Japon teorisyen H. Yukawa tarafından yapılan hesaplamalar, bu nesnelerin kütle olarak elektrondan 200-300 kat daha büyük olduğunu gösterdi ve,sırasıyla, protondan birkaç kat daha düşüktür. Daha sonra Yunanca "orta" anlamına gelen mezon adını aldılar. Ancak, ilk doğrudan algılamaları, çok farklı parçacıkların kütlelerinin yakınlığı nedeniyle bir "tekleme" oldu.
1936'da, kozmik ışınlarda Yukawa'nın hesaplamalarına karşılık gelen kütleye sahip nesneler (bunlara mu-mezon denirdi) keşfedildi. Aranan nükleer kuvvetler kuantumu bulunmuş gibi görünüyordu. Ama sonra mu-mezonların, nükleonlar arasındaki değişim etkileşimleriyle ilgili olmayan parçacıklar olduğu ortaya çıktı. Elektron ve nötrino ile birlikte, mikrokozmos - leptonlardaki başka bir nesne sınıfına aittirler. Parçacıkların adı müon olarak değiştirildi ve arama devam etti.
Yukawa quanta yalnızca 1947'de keşfedildi ve "pi-mezonlar" veya pionlar olarak adlandırıldı. Elektrik yüklü veya nötr bir pi-mezonun gerçekten de değiş tokuşu nükleonların çekirdekte bir arada var olmasına izin veren parçacık olduğu ortaya çıktı.
Mezon yapısı
Neredeyse hemen belli oldu: Şakayıklar “parçacık hayvanat bahçesine” yalnız değil, çok sayıda akrabayla geldi. Bununla birlikte, bu parçacıkların sayısı ve çeşitliliği nedeniyle, bunların az sayıda temel nesnenin birleşimi olduğunu tespit etmek mümkün oldu. Kuarkların böyle yapısal öğeler olduğu ortaya çıktı.
Meson, bir kuarkın ve bir antikuarkın bağlı halidir (bağlantı, güçlü etkileşim kuantaları - gluonlar aracılığıyla gerçekleştirilir). Bir kuarkın "güçlü" yükü, geleneksel olarak "renk" olarak adlandırılan bir kuantum sayısıdır. Ancak tüm hadronlarve aralarındaki mezonlar renksizdir. Bu ne anlama geliyor? Bir mezon, bir kuark ve farklı türlerde bir antikuarktan (veya dedikleri gibi, tatlar, "tatlar") oluşturulabilir, ancak her zaman renk ve anti-renk birleştirir. Örneğin, π+-meson bir çift u-kuark - anti-d-kuark (ud̄) tarafından oluşturulur ve renk yüklerinin kombinasyonu "mavi - anti- mavi", "kırmızı - anti-kırmızı" veya yeşil-anti-yeşil. Gluonların değişimi kuarkların rengini değiştirirken mezon renksiz kalır.
s, c ve b gibi eski nesil kuarklar, oluşturdukları mezonlara karşılık gelen tatları verir - kendi kuantum sayılarıyla ifade edilen tuhaflık, çekicilik ve çekicilik. Mezonun tamsayılı elektrik yükü, onu oluşturan parçacıkların ve karşı parçacıkların kesirli yüklerinden oluşur. Değerlik kuarklar adı verilen bu çifte ek olarak, mezon birçok ("deniz") sanal çiftleri ve gluonları içerir.
Mezonlar ve temel kuvvetler
Mezonlar veya daha doğrusu onları oluşturan kuarklar, Standart Model tarafından tanımlanan her tür etkileşime katılırlar. Etkileşimin yoğunluğu, bunun neden olduğu reaksiyonların simetrisiyle, yani belirli niceliklerin korunumuyla doğrudan ilişkilidir.
Zayıf süreçler en az yoğun olanlardır; enerjiyi, elektrik yükünü, momentumu, açısal momentumu (spin) korurlar - başka bir deyişle, yalnızca evrensel simetriler hareket eder. Elektromanyetik etkileşimde mezonların parite ve lezzet kuantum sayıları da korunur. Bunlar reaksiyonlarda önemli rol oynayan süreçlerdir.çürüme.
Güçlü etkileşim, diğer miktarları, özellikle izospin'i koruyarak en simetrik olanıdır. İyon değişimi yoluyla çekirdekte nükleonların tutulmasından sorumludur. Yüklü pi-mezonları yayarak ve emerek, proton ve nötron karşılıklı dönüşümlere uğrar ve nötr bir parçacığın değişimi sırasında, nükleonların her biri kendisi olarak kalır. Bunun kuarklar düzeyinde nasıl temsil edilebileceği aşağıdaki şekilde gösterilmektedir.
Güçlü etkileşim ayrıca mezonların nükleonlar tarafından saçılmasını, onların hadron çarpışmalarında ve diğer süreçlerde üretilmesini de yönetir.
kuarkonyum nedir
Aynı tada sahip bir kuark ve bir antikuarkın birleşimine kuarkonia denir. Bu terim genellikle masif c- ve b-kuarkları içeren mezonlara uygulanır. Son derece ağır bir t-kuark, bağlı bir duruma girmek için hiç zamana sahip değildir, anında daha hafif olanlara bozunur. cc̄ kombinasyonuna charmonium veya gizli çekiciliğe sahip bir parçacık (J/ψ-meson) denir; bb̄ kombinasyonu, gizli bir çekiciliğe (Υ-meson) sahip olan diptonyumdur. Her ikisi de birçok rezonans - heyecanlı - durumun varlığı ile karakterize edilir.
Hafif bileşenlerden oluşan parçacıklar - uū, dd̄ veya ss̄ - bu kuarkların kütlelerinin değeri yakın olduğundan, tatların bir süperpozisyonudur (süperpozisyonu). Böylece, nötr π0-meson, aynı kuantum sayılarına sahip olan uū ve dd̄ durumlarının bir süperpozisyonudur.
Meson kararsızlığı
Parçacık ve antiparçacık kombinasyonu,herhangi bir mezonun ömrü onların yok olmasıyla biter. Yaşam süresi, çürümeyi kontrol eden etkileşime bağlıdır.
- "Güçlü" yok olma kanalıyla bozunarak, örneğin yeni mezonların doğumuyla gluonlara dönüşen mezonlar çok uzun yaşamazlar - 10-20 - 10 - 21 s. Bu tür parçacıkların bir örneği kuarkonia'dır.
- Elektromanyetik yok olma da oldukça yoğundur: kuark-antikuark çifti neredeyse %99 olasılıkla iki foton halinde yok olan π0-mezonun ömrü yaklaşık 8 ∙ 10 -17 s.
- Zayıf imha (leptonlara bozunma) çok daha az yoğunlukta ilerler. Böylece, yüklü bir pion (π+ – ud̄ – veya π- – dū) oldukça uzun bir süre yaşar – ortalama olarak 2,6 ∙ 10-8 s ve genellikle bir müon ve bir nötrinoya (veya karşılık gelen antiparçacıklara) bozunur.
Mezonların çoğu hadron rezonansları olarak adlandırılan kısa ömürlü (10-22 – 10-24 c) fenomenlerdir. atomun uyarılmış durumlarına benzer şekilde belirli yüksek enerji aralıklarında meydana gelir. Dedektörlere kaydedilmezler, ancak reaksiyonun enerji dengesine göre hesaplanırlar.
Spin, yörünge momentumu ve parite
Baryonlardan farklı olarak mezonlar, dönüş sayısının (0 veya 1) tamsayı değerine sahip temel parçacıklardır, yani bozonlardır. Kuarklar fermiyondur ve yarım tamsayılı ½ spinlidir. Bir kuarkın ve bir antikuarkın momentum momentleri paralel ise, o zaman onların momentumlarıtoplam - mezon dönüşü - 1'e eşittir, eğer ters paralel ise sıfıra eşit olacaktır.
Bir çift bileşenin karşılıklı dolaşımı nedeniyle, mezon ayrıca kütlesine katkıda bulunan bir yörünge kuantum numarasına sahiptir. Yörüngesel momentum ve dönüş, uzaysal veya P-paritesi (ayna tersine çevrilmesine göre dalga fonksiyonunun belirli bir simetrisi) kavramıyla ilişkili parçacığın toplam açısal momentumunu belirler. Spin S ve dahili (parçacığın kendi referans çerçevesiyle ilgili) P-paritesinin kombinasyonuna göre, aşağıdaki mezon türleri ayırt edilir:
- pseudoscalar - en hafif (S=0, P=-1);
- vektör (S=1, P=-1);
- skaler (S=0, P=1);
- sözde vektör (S=1, P=1).
Son üç tür, yüksek enerji durumları olan çok büyük mezonlardır.
İzotopik ve üniter simetriler
Mezonların sınıflandırılması için özel bir kuantum sayısı - izotopik spin kullanmak uygundur. Güçlü süreçlerde, aynı izospin değerine sahip parçacıklar, elektrik yüklerinden bağımsız olarak simetrik olarak katılır ve bir nesnenin farklı yük durumları (izospin projeksiyonları) olarak temsil edilebilir. Kütleleri birbirine çok yakın olan bu tür parçacıklardan oluşan bir kümeye izomultiplet denir. Örneğin, pion izotripleti üç durum içerir: π+, π0 ve π--meson.
İzospin değeri, I=(N–1)/2 formülüyle hesaplanır; burada N, çoklu kümedeki parçacıkların sayısıdır. Böylece, bir pion'un izospin'i 1'e eşittir ve özel bir yükteki izdüşümleri Izboşluk sırasıyla +1, 0 ve -1'dir. Dört garip mezon - kaonlar - iki izodoublet oluşturur: K+ ve K0 izospin +½ ve tuhaflık +1 ve antipartikül çifti K Bu değerlerin negatif olduğu- ve K̄0.
Hadronların (mezonlar dahil) elektrik yükü Q, izospin projeksiyonu Iz ve hiperyük Y olarak adlandırılan (baryon sayısı ve tüm aromaların toplamı) ile ilgilidir. sayılar). Bu ilişki Nishijima–Gell-Mann formülüyle ifade edilir: Q=Iz + Y/2. Bir çokluğun tüm üyelerinin aynı hiper yüke sahip olduğu açıktır. Mezonların baryon sayısı sıfırdır.
Ardından, mezonlar ek spin ve parite ile süpermultipletler halinde gruplandırılır. Sekiz psödoskaler mezon bir oktet oluşturur, vektör parçacıkları bir nonet (dokuz) oluşturur ve bu böyle devam eder. Bu, üniter denilen daha yüksek seviyeli bir simetrinin tezahürüdür.
Mezonlar ve Yeni Fizik arayışı
Şu anda, fizikçiler aktif olarak, açıklaması Standart Modelin genişlemesine ve mikrodünyanın daha derin ve daha genel bir teorisi olan Yeni Fizik'in inşasıyla onun ötesine geçilmesine yol açacak fenomenleri arıyorlar. Standart Modelin buna sınırlayıcı, düşük enerjili bir durum olarak gireceği varsayılmaktadır. Bu arayışta mezonların incelenmesi önemli bir rol oynamaktadır.
Özellikle ilgi çekici olan egzotik mezonlardır - olağan modelin çerçevesine uymayan bir yapıya sahip parçacıklar. Yani, Büyük Hadron'daÇarpıştırıcı 2014'te, güzel B mezonunun bir ara bozunma ürünü olan iki ud̄cc̄ kuark-antikuark çiftinin bağlı bir durumu olan Z(4430) tetrakuarkı doğruladı. Bu bozunmalar, varsayımsal yeni bir parçacık sınıfı olan leptoquarks'ın olası keşfi açısından da ilginçtir.
Modeller ayrıca güçlü süreçlere katıldıkları, ancak sıfır baryon sayısına sahip oldukları için mezon olarak sınıflandırılması gereken diğer egzotik durumları da tahmin eder; örneğin, sadece kuark içermeyen gluonlardan oluşan tutkal topları. Bu tür tüm nesneler, temel etkileşimlerin doğası hakkındaki bilgimizi önemli ölçüde yenileyebilir ve mikro dünya fiziğinin daha da gelişmesine katkıda bulunabilir.
