Tegen het midden van de 20e eeuw verscheen het concept van 'deeltjesdierentuin' in de natuurkunde, wat een verscheidenheid aan elementaire bestanddelen van materie betekent, die wetenschappers tegenkwamen nadat voldoende krachtige versnellers waren gecreëerd. Een van de meest talrijke bewoners van de "dierentuin" waren objecten die mesonen worden genoemd. Deze familie van deeltjes behoort, samen met baryonen, tot de grote groep hadronen. Hun studie maakte het mogelijk om tot een dieper niveau van de structuur van materie door te dringen en droeg bij aan de ordening van kennis erover in de moderne theorie van fundamentele deeltjes en interacties - het standaardmodel.
Ontdekkingsgeschiedenis
In het begin van de jaren dertig, nadat de samenstelling van de atoomkern was opgehelderd, rees de vraag naar de aard van de krachten die het bestaan ervan verzekerden. Het was duidelijk dat de interactie die nucleonen bindt extreem intens moet zijn en moet plaatsvinden door de uitwisseling van bepaalde deeltjes. Berekeningen uitgevoerd in 1934 door de Japanse theoreticus H. Yukawa toonden aan dat deze objecten 200-300 keer groter zijn dan het elektron in massa en,respectievelijk meerdere malen inferieur aan het proton. Later kregen ze de naam mesonen, wat in het Grieks "midden" betekent. Hun eerste directe detectie bleek echter een "misfire" te zijn vanwege de nabijheid van de massa's van zeer verschillende deeltjes.
In 1936 werden objecten (ze werden mu-mesonen genoemd) met een massa die overeenkomt met Yukawa's berekeningen ontdekt in kosmische straling. Het leek erop dat de gezochte hoeveelheid kernkrachten was gevonden. Maar toen bleek dat mu-mesonen deeltjes zijn die niet gerelateerd zijn aan de uitwisselingsinteracties tussen nucleonen. Samen met het elektron en neutrino behoren ze tot een andere klasse van objecten in de microkosmos - leptonen. De deeltjes werden hernoemd tot muonen en de zoektocht ging verder.
Yukawa-quanta werden pas in 1947 ontdekt en werden "pi-mesonen" of pionen genoemd. Het bleek dat een elektrisch geladen of neutraal pi-meson inderdaad het deeltje is waarvan de uitwisseling het mogelijk maakt dat nucleonen naast elkaar in de kern bestaan.
Mesonstructuur
Het werd vrijwel meteen duidelijk: de pioenrozen kwamen niet alleen naar de "deeltjesdierentuin", maar met tal van familieleden. Het was echter vanwege het aantal en de verscheidenheid van deze deeltjes dat het mogelijk was om vast te stellen dat het combinaties zijn van een klein aantal fundamentele objecten. Quarks bleken zulke structurele elementen te zijn.
Meson is een gebonden toestand van een quark en een antiquark (de verbinding wordt tot stand gebracht door middel van quanta van sterke interactie - gluonen). De "sterke" lading van een quark is een kwantumgetal, gewoonlijk "kleur" genoemd. Echter, alle hadronenen mesonen onder hen, zijn kleurloos. Wat betekent het? Een meson kan worden gevormd door een quark en een antiquark van verschillende typen (of, zoals ze zeggen, smaken, "smaken"), maar het combineert altijd kleur en antikleur. Bijvoorbeeld, π+-meson wordt gevormd door een paar u-quark - anti-d-quark (ud̄), en de combinatie van hun kleurladingen kan "blauw - anti- blauw", "rood - anti-rood" of groen-anti-groen. De uitwisseling van gluonen verandert de kleur van de quarks, terwijl het meson kleurloos blijft.
Quarks van oudere generaties, zoals s, c en b, geven de overeenkomstige smaken aan de mesonen die ze vormen - vreemdheid, charme en charme, uitgedrukt door hun eigen kwantumgetallen. De gehele elektrische lading van het meson bestaat uit de fractionele ladingen van de deeltjes en antideeltjes waaruit het bestaat. Naast dit paar, valentie-quarks genaamd, bevat het meson vele ("zee") virtuele paren en gluonen.
Mesonen en fundamentele krachten
Mesonen, of liever de quarks waaruit ze bestaan, nemen deel aan alle soorten interacties die worden beschreven door het standaardmodel. De intensiteit van de interactie houdt rechtstreeks verband met de symmetrie van de reacties die erdoor worden veroorzaakt, dat wil zeggen met het behoud van bepaalde grootheden.
Zwakke processen zijn het minst intens, ze behouden energie, elektrische lading, momentum, impulsmoment (spin) - met andere woorden, alleen universele symmetrieën werken. In de elektromagnetische interactie zijn ook de pariteits- en smaakkwantumaantallen van mesonen behouden. Dit zijn de processen die een belangrijke rol spelen bij de reactiesverval.
De sterke interactie is het meest symmetrisch, met behoud van andere hoeveelheden, in het bijzonder isospin. Het is verantwoordelijk voor het vasthouden van nucleonen in de kern door ionenuitwisseling. Door geladen pi-mesonen uit te zenden en te absorberen ondergaan het proton en het neutron wederzijdse transformaties, en tijdens de uitwisseling van een neutraal deeltje blijft elk van de nucleonen zichzelf. Hoe dit kan worden weergegeven op het niveau van quarks wordt weergegeven in de onderstaande figuur.
De sterke interactie regelt ook de verstrooiing van mesonen door nucleonen, hun productie bij hadronbotsingen en andere processen.
Wat is quarkonium
De combinatie van een quark en een antiquark met dezelfde smaak wordt quarkonia genoemd. Deze term wordt meestal toegepast op mesonen die massieve c- en b-quarks bevatten. Een extreem zware t-quark heeft helemaal geen tijd om een gebonden toestand in te gaan en verv alt onmiddellijk in lichtere. De combinatie cc̄ wordt charmonium genoemd, of een deeltje met verborgen charme (J/ψ-meson); de combinatie bb̄ is bottomonium, dat een verborgen charme heeft (Υ-meson). Beide worden gekenmerkt door de aanwezigheid van vele resonante - aangeslagen - toestanden.
Deeltjes gevormd door lichte componenten - uū, dd̄ of ss̄ - zijn een superpositie (superpositie) van smaken, aangezien de massa's van deze quarks dicht in waarde liggen. Het neutrale π0-meson is dus een superpositie van de toestanden uū en dd̄, die dezelfde reeks kwantumgetallen hebben.
Meson instabiliteit
De combinatie van deeltje en antideeltje resulteert indat het leven van elke meson eindigt in hun vernietiging. De levensduur hangt af van welke interactie het verval regelt.
- Mesonen die vervallen door het kanaal van "sterke" vernietiging, laten we zeggen, in gluonen met de daaropvolgende geboorte van nieuwe mesonen, leven niet erg lang - 10-20 - 10 - 21 p. Een voorbeeld van zulke deeltjes is quarkonia.
- Elektromagnetische vernietiging is ook behoorlijk intens: de levensduur van het π0-meson, waarvan het quark-antiquarkpaar annihileert in twee fotonen met een kans van bijna 99%, is ongeveer 8 ∙ 10 -17 s.
- Zwakke vernietiging (verval in leptonen) verloopt met veel minder intensiteit. Een geladen pion (π+ – ud̄ – of π- – dū) leeft dus behoorlijk lang – gemiddeld 2.6 ∙ 10-8 s en verv alt gewoonlijk in een muon en een neutrino (of de overeenkomstige antideeltjes).
De meeste mesonen zijn de zogenaamde hadronresonanties, kortstondige (10-22 – 10-24 c) verschijnselen die komen voor in bepaalde hoge energiebereiken, vergelijkbaar met de aangeslagen toestanden van het atoom. Ze worden niet geregistreerd op de detectoren, maar worden berekend op basis van de energiebalans van de reactie.
Spin, orbitaal momentum en pariteit
In tegenstelling tot baryonen zijn mesonen elementaire deeltjes met een geheel getal van het spingetal (0 of 1), dat wil zeggen dat het bosonen zijn. Quarks zijn fermionen en hebben een half geheel getal spin ½. Als de impulsmomenten van een quark en een antiquark evenwijdig zijn, dan is hunde som - meson spin - is gelijk aan 1, indien antiparallel, zal het gelijk zijn aan nul.
Door de onderlinge circulatie van een paar componenten heeft het meson ook een orbitaal kwantumgetal, dat bijdraagt aan zijn massa. Het baanmomentum en de spin bepalen het totale impulsmoment van het deeltje, geassocieerd met het concept van ruimtelijke of P-pariteit (een bepaalde symmetrie van de golffunctie ten opzichte van spiegelinversie). Overeenkomstig de combinatie van spin S en interne (gerelateerd aan het eigen referentiekader van het deeltje) P-pariteit worden de volgende typen mesonen onderscheiden:
- pseudoscalar - de lichtste (S=0, P=-1);
- vector (S=1, P=-1);
- scalar (S=0, P=1);
- pseudo-vector (S=1, P=1).
De laatste drie typen zijn zeer massieve mesonen, dit zijn toestanden van hoge energie.
Isotopische en unitaire symmetrieën
Voor de classificatie van mesonen is het handig om een speciaal kwantumnummer te gebruiken - isotopische spin. In sterke processen nemen deeltjes met dezelfde isospin-waarde symmetrisch deel, ongeacht hun elektrische lading, en kunnen ze worden weergegeven als verschillende ladingstoestanden (isospin-projecties) van één object. Een verzameling van dergelijke deeltjes, die qua massa zeer dicht bij elkaar liggen, wordt een isomultiplet genoemd. De pion-isotriplet omvat bijvoorbeeld drie toestanden: π+, π0 en π--meson.
De waarde van isospin wordt berekend met de formule I=(N–1)/2, waarbij N het aantal deeltjes in het multiplet is. Dus de isospin van een pion is gelijk aan 1, en zijn projecties Iz in een speciale ladingspatie zijn respectievelijk +1, 0 en -1. De vier vreemde mesonen - kaonen - vormen twee isodoublets: K+ en K0 met isospin +½ en vreemdheid +1 en het doublet van antideeltjes K- en K̄0, waarvoor deze waarden negatief zijn.
De elektrische lading van hadronen (inclusief mesonen) Q is gerelateerd aan de isospinprojectie Iz en de zogenaamde hyperlading Y (de som van het baryongetal en alle nummers). Deze relatie wordt uitgedrukt door de Nishijima-Gell-Mann-formule: Q=Iz + Y/2. Het is duidelijk dat alle leden van één multiplet dezelfde hyperlading hebben. Het baryon-aantal mesonen is nul.
Vervolgens worden de mesonen gegroepeerd met extra spin en pariteit in supermultiples. Acht pseudoscalaire mesonen vormen een octet, vectordeeltjes vormen een nonet (negen), enzovoort. Dit is een manifestatie van een symmetrie op een hoger niveau, unitair genoemd.
Mesonen en de zoektocht naar nieuwe fysica
Momenteel zijn natuurkundigen actief op zoek naar verschijnselen waarvan de beschrijving zou leiden tot de uitbreiding van het standaardmodel en verder gaan met de constructie van een diepere en meer algemene theorie van de microwereld - nieuwe fysica. Aangenomen wordt dat het Standaardmodel het zal invoeren als een beperkend, energiezuinig geval. Bij deze zoektocht speelt de studie van mesonen een belangrijke rol.
Van bijzonder belang zijn exotische mesonen - deeltjes met een structuur die niet past in het raamwerk van het gebruikelijke model. Dus, bij de Large HadronCollider in 2014 bevestigde de Z(4430) tetraquark, een gebonden toestand van twee ud̄cc̄ quark-antiquark paren, een intermediair vervalproduct van het mooie B-meson. Deze vervalsingen zijn ook interessant in termen van de mogelijke ontdekking van een hypothetische nieuwe klasse van deeltjes - leptoquarks.
Modellen voorspellen ook andere exotische toestanden die als mesonen moeten worden geclassificeerd, omdat ze deelnemen aan sterke processen, maar een baryon-getal nul hebben, zoals lijmballen, die alleen worden gevormd door gluonen zonder quarks. Al dergelijke objecten kunnen onze kennis van de aard van fundamentele interacties aanzienlijk aanvullen en bijdragen aan de verdere ontwikkeling van de fysica van de microwereld.
