Sa kalagitnaan ng ika-20 siglo, ang konsepto ng “particle zoo” ay lumitaw sa physics, ibig sabihin ay iba't ibang elementong elemento ng matter, na naranasan ng mga siyentipiko pagkatapos malikha ang sapat na malalakas na accelerators. Ang isa sa pinakamaraming naninirahan sa "zoo" ay mga bagay na tinatawag na meson. Ang pamilya ng mga particle na ito, kasama ang mga baryon, ay kasama sa malaking grupo ng mga hadron. Ang kanilang pag-aaral ay naging posible na tumagos sa mas malalim na antas ng istruktura ng bagay at nag-ambag sa pagkakasunud-sunod ng kaalaman tungkol dito sa modernong teorya ng mga pangunahing particle at pakikipag-ugnayan - ang Standard Model.
Kasaysayan ng pagtuklas
Noong unang bahagi ng 1930s, pagkatapos na linawin ang komposisyon ng atomic nucleus, bumangon ang tanong tungkol sa likas na katangian ng mga puwersang tumitiyak sa pagkakaroon nito. Malinaw na ang pakikipag-ugnayan na nagbubuklod sa mga nucleon ay dapat na napakatindi at isinasagawa sa pamamagitan ng pagpapalitan ng ilang mga particle. Ang mga kalkulasyon na isinagawa noong 1934 ng Japanese theorist na si H. Yukawa ay nagpakita na ang mga bagay na ito ay 200–300 beses na mas malaki kaysa sa electron sa masa at,ayon sa pagkakabanggit, ilang beses na mas mababa sa proton. Nang maglaon ay natanggap nila ang pangalan ng mga meson, na sa Griyego ay nangangahulugang "gitna". Gayunpaman, ang kanilang unang direktang pagtuklas ay naging isang "misfire" dahil sa kalapitan ng mga masa ng ibang mga particle.
Noong 1936, natuklasan sa mga cosmic ray ang mga bagay (tinatawag silang mu-mesons) na may masa na tumutugma sa mga kalkulasyon ni Yukawa. Tila natagpuan na ang hinahanap na dami ng mga puwersang nukleyar. Ngunit pagkatapos ay lumabas na ang mu-mesons ay mga particle na hindi nauugnay sa mga pakikipag-ugnayan ng palitan sa pagitan ng mga nucleon. Sila, kasama ang electron at neutrino, ay kabilang sa isa pang klase ng mga bagay sa microcosm - lepton. Ang mga particle ay pinalitan ng pangalan na muon at nagpatuloy ang paghahanap.
Ang
Yukawa quanta ay natuklasan lamang noong 1947 at tinawag itong "pi-mesons", o pions. Lumalabas na ang isang electrically charged o neutral na pi-meson ay ang particle na ang pagpapalitan ay nagpapahintulot sa mga nucleon na magkasamang mabuhay sa nucleus.
Meson structure
Ito ay naging malinaw halos kaagad: ang mga peonies ay dumating sa "particle zoo" hindi nag-iisa, ngunit kasama ang maraming mga kamag-anak. Gayunpaman, ito ay dahil sa bilang at pagkakaiba-iba ng mga particle na ito na posible na maitaguyod na ang mga ito ay mga kumbinasyon ng isang maliit na bilang ng mga pangunahing bagay. Ang mga quark ay naging mga istrukturang elemento.
Ang
Meson ay isang bound state ng isang quark at isang antiquark (ang koneksyon ay isinasagawa sa pamamagitan ng quanta of strong interaction - gluons). Ang "malakas" na singil ng isang quark ay isang quantum number, na karaniwang tinatawag na "kulay". Gayunpaman, lahat ng hadronsat ang mga meson sa kanila, ay walang kulay. Ano ang ibig sabihin nito? Ang isang meson ay maaaring mabuo ng isang quark at isang antiquark ng iba't ibang uri (o, tulad ng sinasabi nila, mga lasa, "lasa"), ngunit ito ay palaging pinagsasama ang kulay at anticolor. Halimbawa, ang π+-meson ay nabuo ng isang pares ng u-quark - anti-d-quark (ud̄), at ang kumbinasyon ng kanilang mga kulay na singil ay maaaring "asul - anti- asul", "pula - anti-pula" o berde-anti-berde. Ang pagpapalitan ng mga gluon ay nagbabago sa kulay ng mga quark, habang ang meson ay nananatiling walang kulay.
Ang mga quark ng mas lumang henerasyon, tulad ng s, c at b, ay nagbibigay ng katumbas na lasa sa mga meson na nabuo nila - kakaiba, alindog at alindog, na ipinahayag ng kanilang sariling mga quantum number. Ang integer electric charge ng meson ay binubuo ng mga fractional charge ng mga particle at antiparticle na bumubuo nito. Bilang karagdagan sa pares na ito, na tinatawag na valence quark, ang meson ay kinabibilangan ng maraming ("dagat") na virtual na pares at gluon.
Mga meson at pangunahing puwersa
Mesons, o sa halip, ang mga quark na bumubuo sa kanila, ay lumalahok sa lahat ng uri ng pakikipag-ugnayan na inilalarawan ng Standard Model. Ang intensity ng pakikipag-ugnayan ay direktang nauugnay sa simetriya ng mga reaksyong dulot nito, iyon ay, sa pagtitipid ng ilang partikular na dami.
Ang mga mahihinang proseso ay hindi gaanong matindi, nagtitipid sila ng enerhiya, singil ng kuryente, momentum, angular momentum (spin) – sa madaling salita, ang mga unibersal na symmetry lang ang kumikilos. Sa electromagnetic interaction, ang parity at flavor na quantum number ng mga meson ay pinapanatili din. Ito ang mga prosesong may mahalagang papel sa mga reaksyonpagkabulok.
Ang malakas na pakikipag-ugnayan ay ang pinaka-symmetrical, pinapanatili ang iba pang dami, lalo na, isospin. Ito ay responsable para sa pagpapanatili ng mga nucleon sa nucleus sa pamamagitan ng ion exchange. Sa pamamagitan ng paglabas at pagsipsip ng mga sisingilin na pi-meson, ang proton at neutron ay sumasailalim sa magkaparehong pagbabago, at sa panahon ng pagpapalitan ng isang neutral na particle, ang bawat isa sa mga nucleon ay nananatiling mismo. Kung paano ito maipapakita sa antas ng mga quark ay ipinapakita sa figure sa ibaba.
Ang malakas na interaksyon ay namamahala din sa pagkalat ng mga meson sa pamamagitan ng mga nucleon, paggawa ng mga ito sa mga banggaan ng hadron at iba pang proseso.
Ano ang quarkonium
Ang kumbinasyon ng isang quark at isang antiquark ng parehong lasa ay tinatawag na quarkonia. Karaniwang ginagamit ang terminong ito sa mga meson na naglalaman ng malalaking c- at b-quark. Ang isang napakabigat na t-quark ay walang oras upang pumasok sa isang nakatali na estado, na agad na nabubulok sa mas magaan. Ang kumbinasyong cc̄ ay tinatawag na charmonium, o isang particle na may nakatagong kagandahan (J/ψ-meson); ang kumbinasyong bb̄ ay bottomonium, na may nakatagong alindog (Υ-meson). Parehong nailalarawan ang pagkakaroon ng maraming matunog - nasasabik - mga estado.
Ang mga partikulo na nabuo ng magaan na bahagi - uū, dd̄ o ss̄ - ay isang superposisyon (superposisyon) ng mga lasa, dahil ang masa ng mga quark na ito ay malapit sa halaga. Kaya, ang neutral na π0-meson ay isang superposisyon ng mga estadong uū at dd̄, na may parehong hanay ng mga quantum number.
Meson instability
Ang kumbinasyon ng particle at antiparticle ay nagreresulta sana ang buhay ng sinumang meson ay nagtatapos sa kanilang pagkalipol. Ang haba ng buhay ay nakasalalay sa kung aling pakikipag-ugnayan ang kumokontrol sa pagkabulok.
- Ang mga meson na nabubulok sa pamamagitan ng channel ng "malakas" na pagpuksa, halimbawa, sa mga gluon na may kasunod na pagsilang ng mga bagong meson, ay hindi nabubuhay nang napakatagal - 10-20 - 10 - 21 p. Ang isang halimbawa ng naturang mga particle ay quarkonia.
- Medyo matindi din ang electromagnetic annihilation: ang buhay ng π0-meson, na ang pares ng quark-antiquark ay nalipol sa dalawang photon na may posibilidad na halos 99%, ay humigit-kumulang 8 ∙ 10 -17 s.
- Ang mahinang paglipol (pagkabulok sa mga lepton) ay nagpapatuloy nang hindi gaanong tindi. Kaya, ang isang sisingilin na pion (π+ – ud̄ – o π- – dū) ay nabubuhay nang medyo matagal – sa average na 2.6 ∙ 10-8 s at kadalasang nabubulok sa muon at neutrino (o sa kaukulang antiparticle).
Karamihan sa mga meson ay ang tinatawag na hadron resonances, panandaliang (10-22 – 10-24 c) mga phenomena na mangyari sa ilang mataas na hanay ng enerhiya, katulad ng mga nasasabik na estado ng atom. Hindi nakarehistro ang mga ito sa mga detector, ngunit kinakalkula batay sa balanse ng enerhiya ng reaksyon.
Spin, orbital momentum at parity
Hindi tulad ng mga baryon, ang mga meson ay mga elementarya na particle na may integer na halaga ng spin number (0 o 1), iyon ay, ang mga ito ay boson. Ang mga quark ay mga fermion at may half-integer spin ½. Kung ang mga sandali ng momentum ng isang quark at isang antiquark ay parallel, kung gayon ang kanilangang kabuuan - meson spin - ay katumbas ng 1, kung antiparallel, ito ay magiging katumbas ng zero.
Dahil sa magkaparehong sirkulasyon ng isang pares ng mga bahagi, ang meson ay mayroon ding orbital quantum number, na nakakatulong sa masa nito. Tinutukoy ng orbital momentum at spin ang kabuuang angular na momentum ng particle, na nauugnay sa konsepto ng spatial, o P-parity (isang tiyak na symmetry ng wave function na may kinalaman sa mirror inversion). Alinsunod sa kumbinasyon ng spin S at panloob (na nauugnay sa sariling frame of reference ng particle) P-parity, ang mga sumusunod na uri ng meson ay nakikilala:
- pseudoscalar - ang pinakamagaan (S=0, P=-1);
- vector (S=1, P=-1);
- scalar (S=0, P=1);
- pseudo-vector (S=1, P=1).
Ang huling tatlong uri ay napakalaking meson, na mga high-energy state.
Isotopic at unitary symmetries
Para sa pag-uuri ng mga meson, maginhawang gumamit ng espesyal na quantum number - isotopic spin. Sa malalakas na proseso, ang mga particle na may parehong halaga ng isospin ay nakikilahok nang simetriko, anuman ang kanilang electric charge, at maaaring katawanin bilang iba't ibang mga estado ng singil (isospin projection) ng isang bagay. Ang isang set ng naturang mga particle, na napakalapit sa masa, ay tinatawag na isomultiplet. Halimbawa, ang pion isotriplet ay may kasamang tatlong estado: π+, π0 at π--meson.
Ang halaga ng isospin ay kinakalkula ng formula I=(N–1)/2, kung saan ang N ay ang bilang ng mga particle sa multiplet. Kaya, ang isospin ng isang pion ay katumbas ng 1, at ang mga projection nito ay Iz sa isang espesyal na singilpuwang ay ayon sa pagkakabanggit +1, 0 at -1. Ang apat na kakaibang meson - kaon - ay bumubuo ng dalawang isodoublet: K+ at K0 na may isospin +½ at kakaibang +1 at ang doublet ng antiparticle na K- at K̄0, kung saan negatibo ang mga value na ito.
Ang electric charge ng mga hadron (kabilang ang mga meson) Q ay nauugnay sa isospin projection Iz at ang tinatawag na hypercharge Y (ang kabuuan ng numero ng baryon at lahat ng lasa numero). Ang kaugnayang ito ay ipinahayag ng Nishijima–Gell-Mann formula: Q=Iz + Y/2. Malinaw na ang lahat ng miyembro ng isang multiplet ay may parehong hypercharge. Ang baryon number ng mesons ay zero.
Pagkatapos, pinagsama-sama ang mga meson na may karagdagang spin at parity sa mga supermultiplet. Ang walong pseudoscalar meson ay bumubuo ng isang octet, ang mga particle ng vector ay bumubuo ng isang nonet (siyam), at iba pa. Isa itong manipestasyon ng mas mataas na antas ng simetrya na tinatawag na unitary.
Mesons at ang paghahanap para sa Bagong Physics
Sa kasalukuyan, ang mga physicist ay aktibong naghahanap ng mga phenomena, ang paglalarawan kung saan ay hahantong sa pagpapalawak ng Standard Model at sa paglampas nito sa pagbuo ng isang mas malalim at mas pangkalahatang teorya ng microworld - New Physics. Ipinapalagay na ilalagay ito ng Standard Model bilang isang limitadong kaso na mababa ang enerhiya. Sa paghahanap na ito, may mahalagang papel ang pag-aaral ng mga meson.
Ang partikular na interes ay ang mga kakaibang meson - mga particle na may istraktura na hindi akma sa balangkas ng karaniwang modelo. Kaya, sa Malaking HadronKinumpirma ng Collider noong 2014 ang Z(4430) tetraquark, isang nakatali na estado ng dalawang pares ng ud̄cc̄ quark-antiquark, isang intermediate decay na produkto ng magandang B meson. Ang mga pagkabulok na ito ay kawili-wili din sa mga tuntunin ng posibleng pagtuklas ng isang hypothetical na bagong klase ng mga particle - leptoquarks.
Ang mga modelo ay hinuhulaan din ang iba pang mga kakaibang estado na dapat iuri bilang mga meson, dahil sila ay nakikilahok sa malalakas na proseso, ngunit may zero na numero ng baryon, gaya ng mga glueball, na nabuo lamang ng mga gluon na walang quark. Ang lahat ng ganoong bagay ay maaaring makabuluhang palitan ang ating kaalaman sa likas na katangian ng mga pangunahing pakikipag-ugnayan at mag-ambag sa karagdagang pag-unlad ng physics ng microworld.
