Мезон

Эта статья находится на начальном уровне проработки, в одной из её версий выборочно используется текст из источника, распространяемого под свободной лицензией
Материал из энциклопедии Руниверсалис
У этого термина существуют и другие значения, см. Мезон (значения).

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.

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
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 [math]\displaystyle{ \mathrm{u \bar{u}} }[/math], ни парой [math]\displaystyle{ \mathrm{d \bar{d}} }[/math] кварков, а представляет собой суперпозицию обоих: [math]\displaystyle{ ({\mathrm{u \bar{u}}}-{\mathrm{d \bar{d}}})\,/\,\sqrt{2} }[/math][5].

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[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 [math]\displaystyle{ \mathrm{c} }[/math][math]\displaystyle{ \mathrm{\bar{c}} }[/math][math]\displaystyle{ \mathrm{d} }[/math][math]\displaystyle{ \mathrm{\bar{u}} }[/math] 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
[math]\displaystyle{ u \bar d\mbox{, }u \bar u - d\bar d\mbox{, }d\bar u }[/math] † I = 1 π b ρ a
[math]\displaystyle{ u \bar u + d \bar d \mbox{, }s \bar s }[/math] † I = 0 η, η’ h, h’ φ, ω f, f’
[math]\displaystyle{ c \bar c }[/math] I = 0 ηc hc ψ • χc
[math]\displaystyle{ b \bar b }[/math] 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 [math]\displaystyle{ s\bar s }[/math], а ω — состоянием [math]\displaystyle{ u \bar u + d \bar d. }[/math] 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 [math]\displaystyle{ \bar K }[/math] b [math]\displaystyle{ \bar B }[/math]
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+…
[math]\displaystyle{ \bar su,\ \bar sd }[/math] 1/2 [math]\displaystyle{ K_J }[/math] † [math]\displaystyle{ K^*_J }[/math]
[math]\displaystyle{ c \bar u,\ c\bar d }[/math] 1/2 [math]\displaystyle{ D_J }[/math] [math]\displaystyle{ D^*_J }[/math]
[math]\displaystyle{ c \bar s }[/math] 0 [math]\displaystyle{ D_{sJ} }[/math] [math]\displaystyle{ D^*_{sJ} }[/math]
[math]\displaystyle{ \bar bu,\ \bar bd }[/math] 1/2 [math]\displaystyle{ B_J }[/math] [math]\displaystyle{ B^*_J }[/math]
[math]\displaystyle{ \bar bs }[/math] 0 [math]\displaystyle{ B_{sJ} }[/math] [math]\displaystyle{ B^*_{sJ} }[/math]
[math]\displaystyle{ \bar bc }[/math] 0 [math]\displaystyle{ B_{cJ} }[/math] [math]\displaystyle{ B^*_{cJ} }[/math]
† J опущен для 0− and 1−.

Иногда частицы могут смешиваться. Например, нейтральный каон [math]\displaystyle{ K^0\,(\bar sd) }[/math] и его античастица [math]\displaystyle{ \bar K^0\,(s\bar d) }[/math] 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 [math]\displaystyle{ K^0_S = \begin{matrix}{\sqrt 2 \over 2}\end{matrix}(K^0-\bar K^0) }[/math] с PC = +1, обычно распадающийся на два пиона (π0π0 или π+π−), и долгоживущий нейтральный каон [math]\displaystyle{ K^0_L = \begin{matrix}{\sqrt 2 \over 2}\end{matrix}(K^0 + \bar K^0) }[/math] 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− [math]\displaystyle{ \mathrm{u \bar{d}} }[/math] 139,6 0 0 0 2,60⋅10−8
π0 [math]\displaystyle{ \mathrm{\frac{u\bar{u} - d \bar{d}}{\sqrt{2}}} }[/math] 135,0 0 0 0 0,84⋅10−16
Каон K+ K− [math]\displaystyle{ \mathrm{u\bar{s}} }[/math] 493,7 +1 0 0 1,24⋅10−8
[math]\displaystyle{ \mathrm{K_S^0} }[/math] [math]\displaystyle{ \mathrm{K_S^0} }[/math] [math]\displaystyle{ \mathrm{\frac{d\bar{s} - s\bar{d}}{\sqrt{2}}} }[/math] 497,7 +1 0 0 0,89⋅10−10
[math]\displaystyle{ \mathrm{K_L^0} }[/math] [math]\displaystyle{ \mathrm{K_L^0} }[/math] [math]\displaystyle{ \mathrm{\frac{d\bar{s} + s\bar{d}}{\sqrt{2}}} }[/math] 497,7 +1 0 0 5,2⋅10−8
Эта η0 [math]\displaystyle{ \mathrm{\frac{u\bar{u} + d\bar{d} - 2s\bar{s}}{\sqrt{6}}} }[/math] 547,8 0 0 0 0,5⋅10−18
Ро ρ+ ρ− [math]\displaystyle{ \mathrm{u\bar{d}} }[/math] 776 0 0 0 0,4⋅10−23
Фи φ [math]\displaystyle{ \mathrm{s\bar{s}} }[/math] 1019 0 0 0 16⋅10−23
D D+ D− [math]\displaystyle{ \mathrm{c\bar{d}} }[/math] 1869 0 +1 0 10,6⋅10−13
D0 [math]\displaystyle{ \mathrm{\bar{D}^0} }[/math] [math]\displaystyle{ \mathrm{c\bar{u}} }[/math] 1865 0 +1 0 4,1⋅10−13
[math]\displaystyle{ \mathrm{D_S^+} }[/math] [math]\displaystyle{ \mathrm{D_S^-} }[/math] [math]\displaystyle{ \mathrm{c\bar{s}} }[/math] 1968 +1 +1 0 4,9⋅10−13
J/ψ J/ψ [math]\displaystyle{ \mathrm{c\bar{c}} }[/math] 3096,9 0 0 0 7,2⋅10−21
B B− B+ [math]\displaystyle{ \mathrm{b\bar{u}} }[/math] 5279 0 0 −1 1,7⋅10−12
B0 [math]\displaystyle{ \mathrm{\bar{B}^0} }[/math] [math]\displaystyle{ \mathrm{d\bar{b}} }[/math] 5279 0 0 −1 1,5⋅10−12
Ипсилон Υ [math]\displaystyle{ \mathrm{b\bar{b}} }[/math] 9460 0 0 0 1,3⋅10−20

См. также

Примечания

  1. ↑ Классификация адронов Вводные слова. Дата обращения: 14 июля 2017. Архивировано 29 ноября 2018 года.
  2. ↑ 2,0 2,1 Намбу, Ёитиро. . Кварки. — М.издательство=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. Архивировано 12 ноября 2020 года.
  10. ↑ Naming scheme for hadrons (англ.) ?. Particle Data Group (24 февраля 2021). Дата обращения: 24 февраля 2021. Архивировано 20 марта 2021 года.
  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

Источник — https://xn--h1ajim.xn--p1ai/index.php?title=Мезон&oldid=20483248