Мезо́н (от ‘средний’) — адрон, имеющий нулевое значение барионного числа. В Стандартной модели мезоны — составные элементарные частицы, состоящие из равного числа кварков и антикварков. К мезонам относятся пионы (-мезоны), каоны (K-мезоны) и другие, более тяжёлые, мезоны.
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 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 — С. 53—54, 60—63..
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 -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: -, -, -мезоны и др.).
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: — P. 271..
В зависимости от комбинации значений полного углового момента и чётности (обозначается ) различают (), векторные (), скалярные (), () и другие мезоны. 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), впервые обнаруженного коллаборацией Belle в 2007 году — P. 142001-1—142001-10. — ., была надёжно подтверждена в 2014 году в экспериментах коллаборации LHCb — P. 222002-1—222002-9. — .. Установлено, что этот резонанс имеет кварковый состав и относится к типу псевдовекторных мезоновИванов, Игорь. .
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.
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 и суммарным орбитальным угловым моментом . Так как мезон составлен из двух кварков с , суммарный спин может быть только (параллельные спины) или (антипараллельные спины). Орбитальное квантовое число появляется за счет вращения одного кварка вокруг другого. Обычно больший орбитальный момент проявляется в виде большей массы мезона. Эти два квантовых числа определяют чётность и (для нейтральных мезонов) зарядово-сопряжённую чётность мезона:
= (−1)+1 = (−1)
Также и складываются в полный угловой момент , который может принимать значения от || до с шагом единица. Возможные комбинации описываются при помощи символа (терма) 2+1 (вместо числового значения используется буквенный код, см. спектроскопические символы) и символа (для обозначения используется только знак и ).
Возможные комбинации и соответствующие обозначения мезонов даны в таблице:
= (0, 2…)− + (1, 3…)+ − (1,2…)− − (0, 1…)+ + Кварковый состав <sup> = * 1(, , …) 1(, , …) 3(, , …) 3(, , …) † = 1 † = 0 = 0 • = 0 ** Примечания: * Некоторые комбинации запрещены: 0− −, 0+ −, 1− +, 2+ −, 3− +… † Первый ряд образует изоспиновые триплеты: , , † Второй ряд содержит пары частиц: предполагается состоянием , а — состоянием В других случаях точный состав неизвестен, так что используется штрих для различения двух форм. • По историческим причинам, 1³1 форма называется . ** Символом состояния боттониум является заглавный ипсилон (в зависимости от браузера может отображаться как заглавная Y).
Нормальные спин-чётные последовательности формируются мезонами, у которых . В нормальной последовательности , так что (то есть ). 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 = 0− известны как псевдоскаляры, а мезоны с называются векторами. Для остальных частиц число добавляется в виде нижнего индекса: , , Для большинства , и состояний обычно добавляют к обозначению спектроскопическую информацию: , . Первое число — это главное квантовое число, а буква является спектроскопическим обозначением . Мультиплетность опускается, так как она следует из буквы, к тому же при необходимости пишут в виде нижнего индекса: . Если спектроскопическая информация недоступна, то вместо неё используется масса: (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 , , , , используют те же обозначения, что и для мезонов с идентичными числами , за исключением добавки нижнего индекса . Мезоны с изоспином 0 и обозначаются как 1. Когда квантовые числа частицы неизвестны, она обозначается как с указанием массы в скобках.
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: . Однако у - и -кварков аромата нет, вследствие этого они не влияют на название. Кварк никогда не встречается в адронах, но символ для мезонов, содержащих , зарезервирован. кварк символ кварк символ Следует отметить тот факт, что с - и -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 третей компоненты изоспина: кварк имеет положительную проекцию изоспина 3 и заряд, а кварк имеет отрицательные 3 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 и ), то его наличие обозначается в виде нижнего индекса (, или и, теоретически, ).
3. Если мезон принадлежит нормальной спин-чётной последовательности, то есть , 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 .
Подводя итог, получим: Кварковый состав Изоспин JP = 0−, 1+, 2−… JP = 0+, 1−, 2+… 1/2 † 1/2 0 1/2 0 0 † 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 , обычно распадающийся на два пиона ( или ), и долгоживущий нейтральный каон с , обычно распадающийся либо на три пиона, либо на пион, электрон (или мюон) и нейтрино — P. 3—4, 15..
Таблица некоторых мезонов + Различные типы мезонов (не полностью) Частица Обозначение Античастица Состав Масса, МэВ/² время жизни, сПион 139,6 0 0 0 2,60 135,0 0 0 0 0,84Каон 493,7 +1 0 0 1,24 497,7 +1 0 0 0,89 497,7 +1 0 0 5,2 Эта 547,8 0 0 0 0,5 Ро 776 0 0 0 0,4 Фи 1019 0 0 0 16D 1869 0 +1 0 10,6 1865 0 +1 0 4,1 1968 +1 +1 0 4,9 3096,9 0 0 0 7,2B 5279 0 0 −1 1,7 5279 0 0 −1 1,5 Ипсилон 9460 0 0 0 1,3
См. также Элементарные частицы Кварковая модель
Примечания
Литература
Ссылки
Таблица мезонов и их свойств Информация о частицах от Группы по свойствам частиц http://pdg.lbl.gov hep-ph/0211411: Лёгкие скалярные мезоны согласно кварковой модели. Номенклатура адронов.