Мезон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Эта статья — о частицах. О городе во Франции см. Мезон (Кальвадос).

Мезо́н (от др.-греч. μέσος — средний) — бозон сильного взаимодействия. В Стандартной модели, мезоны — это составные (не-элементарные) частицы, состоящие из чётного числа кварков и антикварков. К мезонам относятся пионы (π-мезоны), каоны (K-мезоны) и многие другие более тяжёлые мезоны. Первоначально мезоны были предсказаны как частицы, переносящие силы, которые связывают протоны и нейтроны.

Бо́льшая часть массы мезона происходит из энергии связи, а не из суммы масс составляющих его частиц.
Все мезоны нестабильны.

Содержание

1 Предсказание и обнаружение
2 Номенклатура мезонов
- 2.1 Мезоны без аромата
- 2.2 Мезоны с ароматом
3 Таблица некоторых мезонов
4 См. также
5 Ссылки

[править] Предсказание и обнаружение

В 1935 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена новыми частицами, которые сейчас известны как пи-мезоны (или пионы). Впоследствии за эту свою работу Х. Юкава был награждён Нобелевской премией по физике.

Первоначально термин «мезон» имел смысл «средний по массе», поэтому первым в разряд мезонов попал (из-за его подходящей массы) обнаруженный в конце 1930-х мюон, который назвали μ-мезоном. Однако в конце 1940-х было установлено, что мюон не подвержен сильному взаимодействию и относится, как и электрон, к классу лептонов (поэтому и название μ-мезон является неправильным).

Пион был первым экспериментально открытым (1947) настоящим мезоном.

До открытия^[как?] тетракварков считалось, что все известные мезоны состоят из пары кварк-антикварк (т. н. валентных кварков) и из «моря» виртуальных кварк-антикварковых пар и виртуальных глюонов. Валентные кварки могут существовать в виде суперпозиции состояний с разным ароматом; например нейтральный пион не является ни парой $u \bar{u}$ , ни парой $d \bar{d}$ кварков, а представляет собой суперпозицию обоих.

Псевдоскалярные мезоны (спин=0) имеют минимальную энергию покоя, так как в них кварк и антикварк имеют антипараллельные спины, после них идут векторные мезоны (спин=1) в которых спины кварков параллельны. Оба типа встречаются в более высоких энергетических состояниях, в которых спин складывается с орбитальным (угловым) моментом (сегодняшняя картина внутриядерных сил довольно сложна, для детального ознакомления с ролью мезонов см. Современное состояние теории сильных взаимодействий).

[править] Номенклатура мезонов

Имя мезона образуется так, чтобы оно определяло его основные свойства. Соответственно, по заданным свойствам мезона можно однозначно определить его наименование. Способы именования разделяются на две категории, в зависимости от того, имеет мезон «аромат» или нет.

[править] Мезоны без аромата

Мезоны без аромата — это такие мезоны, все квантовые числа ароматов которых равны нулю. Это означает, что эти мезоны являются состояниями кваркония (пар кварк-антикварк одинакового аромата) или линейными комбинациями таких состояний.

Имя мезона определяется его суммарным спином S и суммарным орбитальным угловым моментом L. Так как мезон составлен из двух кварков с s = 1/2, суммарный спин может быть только S = 1 (параллельные спины) или S = 0 (антипараллельные спины). Орбитальное квантовое число L появляется за счет вращения одного кварка вокруг другого. Обычно больший орбитальный момент проявляется в виде большей массы мезона. Эти два квантовых числа определяют четность P и зарядово-сопряжённую чётность C мезона:

P = (−1)^L+1

C = (−1)^L+S

Также L и S складываются в полный момент J, который может принимать значения от |L−S| до L+S с шагом единица. Возможные комбинации описываются при помощи символа терма ^2S+1L_J (вместо числового значения L используется буквенный код, см. спектроскопические символы) и символа J^PC (для обозначения используется только знак P и C)

Возможные комбинации и соответствующие обозначения мезонов даны в таблице:

	J^PC =	(0, 2…)^{− +}	(1, 3…)^{+ −}	(1,2…)^{− −}	(0, 1…)^{+ +}
Кварковый состав	^2S+1L_J = ^*	¹(S, D, …)_J	¹(P, F, …)_J	³(S, D, …)_J	³(P, F, …)_J
$u \bar d\mbox{, }u \bar u - d\bar d\mbox{, }d\bar u$ ^†	I = 1	π	b	ρ	a
$u \bar u + d \bar d \mbox{, }s \bar s$ ^†	I = 0	η, η’	h, h’	φ, ω	f, f’
$c \bar c$	I = 0	η_c	h_c	ψ ^•	χ_c
$b \bar b$	I = 0	η_b	h_b	Υ ^**	χ_b

Примечания:

^* ^{Некоторые комбинации запрещены: 0^{− −}, 0^{+ −}, 1^{− +}, 2^{+ −}, 3^{− +}…}

^† Первый ряд образует изоспиновые триплеты: π⁻, π⁰, π⁺ и т. д.

^† Второй ряд содержит пары частиц: φ предполагается состоянием $s\bar s$ , а ω — состоянием $u \bar u + d \bar d.$ В других случаях точный состав неизвестен, так что используется штрих для различения двух форм.

^• По историческим причинам, 1³S₁ форма ψ называется J/ψ.

^** Символом состояния боттониум является заглавный ипсилон Υ (в зависимости от браузера может отображаться как заглавная Y).

Нормальные спин-чётные последовательности формируются мезонами, у которых P = (−1)^J. В нормальной последовательности S = 1, так что PC = +1 (то есть P = C). Это соответствует некоторым триплетным состояниям (указаны в двух последних столбцах).

Поскольку некоторые из символов могут указывать на более чем одну частицу, есть дополнительные правила:

В этой схеме, частицы с J^P = 0⁻ известны как псевдоскаляры, а мезоны с J^P = 1⁻ называются векторами. Для остальных частиц число J добавляется в виде нижнего индекса: a₀, a₁, χ_c1 и т. д.
Для большинства ψ, Υ и χ состояний обычно добавляют к обозначению спектроскопическую информацию: Υ(1S), Υ(2S). Первое число — это главное квантовое число, а буква является спектроскопическим обозначением L. Мультиплетность опускается, так как она следует из буквы, к тому же J при необходимости пишут в виде нижнего индекса: χ_b2(1P). Если спектроскопическая информация недоступна, то вместо нее используется масса: Υ(9460)
Схема обозначений не различает между «чистыми» кварковыми состояниями и состояниями глюония. Поэтому глюониевые состояния используют такую же схему обозначений.
Для экзотических мезонов с «запрещённым» набором квантовых чисел J^PC = 0^{− −}, 0^{+ −}, 1^{− +}, 2^{+ −}, 3^{− +}, … используют те же обозначения, что и для мезонов с идентичными числами J^P, за исключением добавки нижнего индекса J. Мезоны с изоспином 0 и J^PC = 1^{− +} обозначаются как ω₁. Когда квантовые числа частицы неизвестны, она обозначается как X с указанием массы в скобках.

[править] Мезоны с ароматом

Для мезонов с ароматом схема названий немного проще.

1. Имя дает мезону тяжелейший из двух кварков. Порядок от тяжёлого к легкому следующий: t > b > c > s > d > u. Однако у u- и d-кварков аромата нет, вследствие этого они не влияют на название. Кварк t никогда не встречается в адронах, но символ для мезонов, содержащих t, зарезервирован.

кварк	символ	кварк	символ
c	D	t	T
s	$\bar K$	b	$\bar B$

Следует отметить тот факт, что с s- и b-кварками используется символ античастицы. Это происходит из-за принятого соглашения о том, что заряд аромата и электрический заряд должны иметь одинаковый знак. Это же верно и для третъей компоненты изоспина: кварк u имеет положительную проекцию изоспина I₃ и заряд, а кварк d имеет отрицательные I₃ и заряд. В результате любой аромат заряженного мезона имеет тот же знак, что и его электрический заряд.

2. Если второй кварк тоже имеет аромат (любой, кроме u и d), то его наличие обозначается в виде нижнего индекса (s, c или b и, теоретически, t).

3. Если мезон принадлежит нормальной спин-чётной последовательности, то есть J^P = 0⁺, 1⁻, 2⁺, …, то добавляется верхний индекс «*».

4. Для мезонов, за исключением псевдоскаляров (0⁻) и векторов (1⁻), добавляется в виде нижнего индекса квантовое число полного углового момента J.

Подводя итог, получим:

кварковый состав	Изоспин	J^P = 0⁻, 1⁺, 2⁻…	J^P = 0⁺, 1⁻, 2⁺…
$\bar su,\ \bar sd$	1/2	$K J$ ^†	$K^*_J$
$c \bar u,\ c\bar d$	1/2	$D J$	$D^*_J$
$c \bar s$	0	$D s J$	$D^*_{sJ}$
$\bar bu,\ \bar bd$	1/2	$B J$	$B^*_J$
$\bar bs$	0	$B s J$	$B^*_{sJ}$
$\bar bc$	0	$B c J$	$B^*_{cJ}$

† J опущен для 0⁻ and 1⁻.

Иногда частицы могут смешиваться. Например нейтральный каон $K^0\,(\bar sd)$ и его античастица $\bar K^0\,(s\bar d)$ могут входить в симметричную или антисимметричную комбинацию, приводя к двум частицам — короткоживущему и долгоживущему нейтральным каонам $K^0_S = \begin{matrix}{\sqrt 2 \over 2}\end{matrix}(K^0-\bar K^0),\;K^0_L = \begin{matrix}{\sqrt 2 \over 2}\end{matrix}(K^0 + \bar K^0)$ .

[править] Таблица некоторых мезонов

Различные типы мезонов (не полностью)
Частица	Обозначение	Анти- частица	Состав	Масса МэВ/c²	S	C	B	время жизни с
Пион	π⁺	π⁻	$\mathrm{u \bar{d}}$	139,6	0	0	0	2,60·10⁻⁸
Пион	π⁰	←	$\mathrm{\frac{u\bar{u} - d \bar{d}}{\sqrt{2}}}$	135,0	0	0	0	0,84·10⁻¹⁶
Каон	K⁺	K⁻	$\mathrm{u\bar{s}}$	493,7	+1	0	0	1,24·10⁻⁸
	$\mathrm{K_S^0}$	$\mathrm{K_S^0}$	$\mathrm{\frac{d\bar{s} - s\bar{d}}{\sqrt{2}}}$	497,7	+1	0	0	0,89·10⁻¹⁰
	$\mathrm{K_L^0}$	$\mathrm{K_L^0}$	$\mathrm{\frac{d\bar{s} + s\bar{d}}{\sqrt{2}}}$	497,7	+1	0	0	5,2·10⁻⁸
Эта	η⁰	←	$\mathrm{\frac{u\bar{u} + d\bar{d} - 2s\bar{s}}{\sqrt{6}}}$	547,8	0	0	0	0,5·10⁻¹⁸
Ро	ρ⁺	ρ⁻	$\mathrm{u\bar{d}}$	776	0	0	0	0,4·10⁻²³
Фи	φ	←	$\mathrm{s\bar{s}}$	1019	0	0	0	16·10⁻²³
D	D⁺	D⁻	$\mathrm{c\bar{d}}$	1869	0	+1	0	10,6·10⁻¹³
	D⁰	$\mathrm{\bar{D^0}}$	$\mathrm{c\bar{u}}$	1865	0	+1	0	4,1·10⁻¹³
	$\mathrm{D_S^+}$	$\mathrm{D_S^-}$	$\mathrm{c\bar{s}}$	1968	+1	+1	0	4,9·10⁻¹³
J/ψ	J/ψ	←	$\mathrm{c\bar{c}}$	3096,9	0	0	0	7,2·10⁻²¹
B	B⁻	B⁺	$\mathrm{b\bar{u}}$	5279	0	0	−1	1,7·10⁻¹²
B	B⁰	$\mathrm{\bar{B^0}}$	$\mathrm{d\bar{b}}$	5279	0	0	−1	1,5·10⁻¹²
Ипсилон	Υ	←	$\mathrm{b\bar{b}}$	9460	0	0	0	1,3·10⁻²⁰