Мезон

Мезо́н (от др.-греч. μέσος ‘средний’) — адрон[1], имеющий нулевое значение барионного числа. В Стандартной модели мезоны — составные элементарные частицы, состоящие из равного числа кварков и антикварков. К мезонам относятся пионы (π-мезоны), каоны (K-мезоны) и другие, более тяжёлые, мезоны.

Краткий обзор различных семейств элементарных и составных частиц и теории, описывающие их взаимодействия. Элементарные частицы слева — фермионы, справа — бозоны. (Термины — гиперссылки на статьи ВП)

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[2][3].

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.)[2][4].

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: [5].

В зависимости от комбинации значений полного углового момента J и чётности P (обозначается JP) различают псевдоскалярные (0-), векторные (1-), скалярные (0+), псевдовекторные (1+) и другие мезоны[6]. 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[7], была надёжно подтверждена в 2014 году в экспериментах коллаборации LHCb[8]. Установлено, что этот резонанс имеет кварковый состав и относится к типу псевдовекторных мезонов[9].

Номенклатура мезонов[10]

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 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 |L−S| 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/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 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 PC, за исключением добавки нижнего индекса J. Мезоны с изоспином 0 и JPC = 1− + обозначаются как η1. Когда квантовые числа частицы неизвестны, она обозначается как X 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: 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 третей 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[11].

Таблица некоторых мезонов
Различные типы мезонов (не полностью)
Частица Обозначение Античастица 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/ψ J/ψ 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

Примечания
  1. Классификация адронов Вводные слова
  2. Намбу, Ёитиро. . Кварки. — М.: Мир, 1984. — 225 с. — С. 53—54, 60—63.
  3. The Nobel Prize in Physics 1949: Hideki Yukawa. // The Official Web Site of the Nobel Prize. Дата обращения: 23 апреля 2020.
  4. Бояркин, 2006, с. 57—58.
  5. 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.
  6. Бояркин, 2006, с. 70, 94—95.
  7. Choi S.-K. et al. . Observation of a Resonance-like Structure in the π±ψ′ Mass Distribution in Exclusive B → Kπ±ψ′ Decays // Physical Review Letters, 2008, 100. — P. 142001-1—142001-10. — doi:10.1103/PhysRevLett.100.142001.
  8. 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.
  9. Иванов, Игорь. Новости Большого адронного коллайдера. Эксперимент LHCb окончательно доказал реальность экзотического мезона Z(4430). // Сайт elementy.ru (15 апреля 2014). Дата обращения: 23 апреля 2020.
  10. Naming scheme for hadrons (англ.) ?. Particle Data Group (24 февраля 2021).
  11. 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
  • Бояркин О. М. . Введение в физику элементарных частиц. 2-е изд. — М.: КомКнига, 2006. — 264 с. — ISBN 978-5-484-00375-4.
  • Jean Letessier, Johann Rafelski, T. Ericson, P. Y. Landshoff. Hadrons and Quark-Gluon Plasma. — Cambridge University Press, 2002. — 415 p. — ISBN 9780511037276.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.