Мезон

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Мезо́н (от др.-греч. μέσος ‘средний’) — бозон, способный участвовать в сильном взаимодействии и имеющий нулевое значение барионного числа. В Стандартной модели мезоны — это составные элементарные частицы, состоящие из равного числа кварков и антикварков. К мезонам относятся пионы (π-мезоны), каоны (K-мезоны) и другие, более тяжёлые, мезоны.

Мезон Мезон Барион Нуклон Кварк Лептон Электрон Адрон Атом Молекула Фотон W- и Z-бозоны Глюон Гравитон Электромагнитное взаимодействие Слабое взаимодействие Сильное взаимодействие Гравитация Квантовая электродинамика Квантовая хромодинамика Квантовая гравитация Электрослабое взаимодействие Теория великого объединения Теория всего Элементарная частица Вещество Бозон Хиггса
Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц, и теории, описывающие их взаимодействия. Фермионы — слева, бозоны — справа. (Изображение интерактивно.)

Первоначально мезоны были предсказаны как частицы, являющиеся переносчиками сильного взаимодействия и отвечающие за удержание протонов и нейтронов в атомных ядрах.

Все мезоны нестабильны. Благодаря наличию энергии связи масса мезона во много раз больше суммы масс составляющих его кварков.

Предсказание и обнаружение[править | править вики-текст]

В 1934 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена ещё не открытыми тогда частицами, которые сейчас известны как пионы (или пи-мезоны). Впоследствии Х. Юкава был награждён в 1949 году Нобелевской премией по физике — за предсказание существования мезонов на основе теоретической работы по ядерным силам[1][2].

Первоначально термин «мезон» имел смысл «средний по массе», поэтому первым в разряд мезонов попал (из-за подходящей массы) обнаруженный в 1936 году мюон, который назвали μ-мезоном. Сначала его и приняли за мезон Юкавы; однако в 1940-х годах было установлено, что мюон не подвержен сильному взаимодействию и относится, как и электрон, к классу лептонов (поэтому и название μ-мезон является неправильным, так что специалисты обычно его избегают). Первым настоящим мезоном оказался открытый в 1947 году пион, действительно являющийся переносчиком ядерных взаимодействий в соответствии с теорией Юкавы (данную роль он выполняет на расстояниях порядка комптоновской длины волны пиона, составляющей примерно 1,46·10−15 м, в то время как на меньших расстояниях существенный вклад в ядерные взаимодействия вносят более тяжёлые мезоны: ρ-, φ-, ω-мезоны и др.)[1][3].

До открытия 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. При этом валентные кварки могут существовать не только в «чистом» виде, но и в виде суперпозиции состояний с разным ароматом; например, нейтральный пион не является ни парой , ни парой кварков, а представляет собой суперпозицию обоих:  [4].

В зависимости от комбинации значений полного углового момента J и чётности P (обозначается JP) различают псевдоскалярные[en] (0-), векторные (1-), скалярные[en] (0+), псевдовекторные[en] (1+) и другие мезоны[5]. Псевдоскалярные мезоны имеют минимальную энергию покоя, так как в них кварк и антикварк имеют антипараллельные спины; после них следуют более тяжёлые векторные мезоны, в которых спины кварков параллельны. Эти же и другие типы мезонов 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).

Начиная с 2003 года в физических журналах появлялись сообщения об открытии частиц, рассматриваемых как «кандидаты» в тетракварки. Природа одной из них — мезонного резонанса Z(4430)[en], впервые обнаруженного коллаборацией Belle в 2007 году[6], была надёжно подтверждена в 2014 году в экспериментах коллаборации LHCb[7]. Установлено, что этот резонанс имеет кварковый состав и относится к типу псевдовекторных мезонов[8].

Номенклатура мезонов[править | править вики-текст]

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.

Мезоны без аромата[править | править вики-текст]

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 чётность P и (для нейтральных мезонов) зарядово-сопряжённую чётность C мезона :

P = (−1)L+1
C = (−1)L+S

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

Возможные комбинации и соответствующие обозначения мезонов даны в таблице:

JPC = (0, 2…)− + (1, 3…)+ − (1,2…)− − (0, 1…)+ +
Кварковый состав 2S+1LJ = * 1(S, D, …)J 1(P, F, …)J 3(S, D, …)J 3(P, F, …)J
I = 1 π b ρ a
I = 0 η, η’ h, h’ φ, ω f, f’
I = 0 ηc hc ψ χc
I = 0 ηb hb Υ ** χb

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 , а ω — состоянием В других случаях точный состав неизвестен, так что используется штрих для различения двух форм.
По историческим причинам, 1³S1 форма ψ называется J.
** 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 JP = 0 известны как псевдоскаляры, а мезоны с JP = 1 называются векторами. Для остальных частиц число J добавляется в виде нижнего индекса: a0, a1, χc1 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: χb2(1P). Если спектроскопическая информация недоступна, то вместо неё 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 JPC = 0− −, 0+ −, 1− +, 2+ −, 3− +, … используют те же обозначения, что и для мезонов с идентичными числами JP, за исключением добавки нижнего индекса J. Мезоны с изоспином 0 и JPC = 1− + обозначаются как ω1. Когда квантовые числа частицы неизвестны, она обозначается как X с указанием массы в скобках.

Мезоны с ароматом[править | править вики-текст]

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 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 JP = 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 JP = 0, 1+, 2 JP = 0+, 1, 2+
1/2
1/2
0
1/2
0
0
J опущен для 0 and 1.

Иногда частицы могут смешиваться. Например, нейтральный каон и его античастица в слабых взаимодействиях, как показали в 1955 году М. Гелл-Манн и А. Пайс, ведут себя как симметричная или антисимметричная комбинации, каждой из которых соответствует своя частица: короткоживущий нейтральный каон с PC = +1, обычно распадающийся на два пиона (π0π0 или π+π), и долгоживущий нейтральный каон с PC = -1, обычно распадающийся либо на три пиона, либо на пион, электрон (или мюон) и нейтрино[9].

Таблица некоторых мезонов[править | править вики-текст]

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

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. 1 2 Намбу, Ёитиро.  Кварки. — М.: Мир, 1984. — 225 с. — С. 53—54, 60—63.
  2. The Nobel Prize in Physics 1949: Hideki Yukawa. // The Official Web Site of the Nobel Prize. Проверено 30 июня 2016.
  3. Бояркин, 2006, с. 57—58.
  4. Greiner W., Müller B.  Quantum Mechanics: Symmetries. 2nd edition. — Berlin: Springer Science & Business Media, 1994. — xviii + 526 p. — ISBN 3-540-58080-8. — P. 271.
  5. Бояркин, 2006, с. 70, 94—95.
  6. Choi S.-K. et al.  Observation of a Resonance-like Structure in the π±ψ′ Mass Distribution in Exclusive BKπ±ψ′ Decays // Physical Review Letters, 2008, 100. — P. 142001-1—142001-10. — DOI:10.1103/PhysRevLett.100.142001.
  7. Aaij R. et al.  Observation of the Resonant Character of the Z(4430)- State // Physical Review Letters, 2014, 112. — P. 222002-1—222002-9. — DOI:10.1103/PhysRevLett.112.222002.
  8. Иванов, Игорь.  Новости Большого адронного коллайдера. Эксперимент LHCb окончательно доказал реальность экзотического мезона Z(4430). // Сайт elementy.ru (15.04.2014). Проверено 30 июня 2016.
  9. Kaon Physics / Ed. by J. L. Rosner and B. D. Winstein. — Chicago: University of Chicago Press, 2001. — xv + 624 p. — ISBN 0-226-90228-5. — P. 3—4, 15.

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]

Логотип Викисловаря
В Викисловаре есть статья «мезон»