Sredi 20. stoletja se je v fiziki pojavil koncept »zoo delcev«, kar pomeni različne elementarne sestavine snovi, s katerimi so se znanstveniki srečali po izdelavi dovolj močnih pospeševalnikov. Eden najštevilčnejših prebivalcev "živalskega vrta" so bili predmeti, imenovani mezoni. Ta družina delcev je skupaj z barioni vključena v veliko skupino adronov. Njihova študija je omogočila prodor na globlji nivo strukture snovi in prispevala k urejanju znanja o njej v sodobno teorijo temeljnih delcev in interakcij – Standardni model.
zgodovina odkritij
V zgodnjih tridesetih letih prejšnjega stoletja, ko je bila razčiščena sestava atomskega jedra, se je pojavilo vprašanje o naravi sil, ki so zagotavljale njegov obstoj. Jasno je bilo, da mora biti interakcija, ki veže nukleone, izjemno intenzivna in se izvaja z izmenjavo določenih delcev. Izračuni, ki jih je leta 1934 izvedel japonski teoretik H. Yukawa, so pokazali, da so ti predmeti po masi 200–300-krat večji od elektrona in,nekajkrat slabši od protona. Kasneje so dobili ime mezon, kar v grščini pomeni "srednji". Vendar se je izkazalo, da je bila njihova prva neposredna zaznava "napaka" zaradi bližine množic zelo različnih delcev.
Leta 1936 so v kozmičnih žarkih odkrili predmete (imenovani so mu-mezoni) z maso, ki ustreza Yukawinim izračunom. Zdelo se je, da je bil najden iskani kvant jedrskih sil. Potem pa se je izkazalo, da so mu-mezoni delci, ki niso povezani z izmenjavo interakcij med nukleoni. Skupaj z elektronom in nevtrinom spadajo v drug razred predmetov v mikrokozmosu - leptone. Delce so preimenovali v mione in iskanje se je nadaljevalo.
Yukawa kvante so odkrili šele leta 1947 in so jih imenovali "pi-mezoni" ali pioni. Izkazalo se je, da je električno nabit ali nevtralen pi-mezon dejansko tisti delec, katerega izmenjava omogoča sobivanje nukleonov v jedru.
Mezonska struktura
Skoraj takoj je postalo jasno: potonike so prišle v "zoo delcev" ne same, ampak s številnimi sorodniki. Vendar pa je bilo zaradi števila in raznolikosti teh delcev mogoče ugotoviti, da gre za kombinacije majhnega števila temeljnih objektov. Izkazalo se je, da so kvarki takšni strukturni elementi.
Mezon je vezano stanje kvarka in antikvarka (povezava se izvaja s pomočjo kvantov močne interakcije - gluonov). "Močan" naboj kvarka je kvantno število, ki se običajno imenuje "barva". Vendar pa vsi hadroniin mezoni med njimi so brezbarvni. Kaj to pomeni? Mezon lahko tvorita kvark in antikvark različnih vrst (ali, kot pravijo, okusi, "okusi"), vendar vedno združuje barvo in antibarvo. Na primer, π+-mezon tvori par u-kvark - anti-d-kvark (ud̄), kombinacija njihovih barvnih nabojev pa je lahko "modra - anti- modra", "rdeča - anti-rdeča" ali zelena-anti-zelena. Izmenjava gluonov spremeni barvo kvarkov, medtem ko meson ostane brezbarven.
Kvarke starejših generacij, kot so s, c in b, dajejo mezonom, ki jih tvorijo, ustrezne okuse - nenavadnost, šarm in šarm, izraženo z lastnimi kvantnimi številkami. Celoštevilski električni naboj mezona je sestavljen iz delnih nabojev delcev in antidelcev, ki ga tvorijo. Poleg tega para, imenovanega valenčni kvarki, meson vključuje številne ("morske") virtualne pare in gluone.
Mezoni in temeljne sile
Mezoni ali bolje rečeno kvarki, ki jih sestavljajo, sodelujejo pri vseh vrstah interakcij, ki jih opisuje standardni model. Intenzivnost interakcije je neposredno povezana s simetrijo reakcij, ki jih povzroča, torej z ohranjanjem določenih količin.
Šibki procesi so najmanj intenzivni, prihranijo energijo, električni naboj, zagon, kotno količino (spin) – z drugimi besedami, delujejo le univerzalne simetrije. Pri elektromagnetni interakciji se ohranita tudi paritetna in aroma kvantna števila mezonov. To so procesi, ki igrajo pomembno vlogo pri reakcijahrazpad.
Močna interakcija je najbolj simetrična, ohranja druge količine, zlasti izospin. Odgovoren je za zadrževanje nukleonov v jedru z ionsko izmenjavo. Z oddajanjem in absorpcijo nabitih pi-mezonov se proton in nevtron medsebojno transformirata, pri izmenjavi nevtralnega delca pa vsak od nukleonov ostane sam. Kako je to mogoče predstaviti na ravni kvarkov, je prikazano na spodnji sliki.
Močna interakcija ureja tudi razpršitev mezonov z nukleoni, njihovo proizvodnjo pri trkih hadronov in druge procese.
Kaj je kvarkonij
Kombinacija kvarka in antikvarka istega okusa se imenuje kvarkonija. Ta izraz se običajno uporablja za mezone, ki vsebujejo masivne c- in b-kvarke. Izjemno težak t-kvark sploh nima časa preiti v vezano stanje in takoj razpade v lažje. Kombinacija cc̄ se imenuje čarmonij ali delec s skritim šarmom (J/ψ-mezon); kombinacija bb̄ je bottomonij, ki ima skriti čar (Υ-mezon). Za oba je značilna prisotnost številnih resonančnih – vznemirjenih – stanj.
Delci, ki jih tvorijo svetlobne komponente - uū, dd̄ ali ss̄ - so superpozicija (superpozicija) okusov, saj so mase teh kvarkov po vrednosti blizu. Tako je nevtralni π0-mezon superpozicija stanj uū in dd̄, ki imata enak nabor kvantnih števil.
Mesonska nestabilnost
Kombinacija delcev in antidelcev povzročida se življenje katerega koli mezona konča z njihovo uničenjem. Življenjska doba je odvisna od tega, katera interakcija nadzoruje razpad.
- Mezoni, ki razpadejo skozi kanal "močne" anihilacije, recimo v gluone s kasnejšim rojstvom novih mezonov, ne živijo zelo dolgo - 10-20 - 10 - 21 str. Primer takšnih delcev je kvarkonija.
- Elektromagnetna anihilacija je prav tako precej intenzivna: življenjska doba π0-mezona, katerega par kvark-antikvark se uniči v dva fotona s skoraj 99-odstotno verjetnostjo je približno 8 ∙ 10 -17 s.
- Šibka anihilacija (razpad v leptone) poteka z veliko manjšo intenzivnostjo. Tako nabit pion (π+ – ud̄ – ali π- – dū) živi precej dolgo – v povprečju 2,6 ∙ 10-8 s in običajno razpade v mion in nevtrino (ali ustrezne antidelce).
Večina mezonov je tako imenovanih hadronskih resonanc, kratkotrajnih (10-22 – 10-24 c) pojavov, ki se pojavljajo v določenih visokoenergetskih območjih, podobnih vzbujenim stanjem atoma. Niso registrirani na detektorjih, ampak se izračunajo na podlagi energijske bilance reakcije.
Spin, orbitalni zagon in pariteta
Za razliko od barionov so mezoni osnovni delci s celo vrednostjo spinskega števila (0 ali 1), torej so bozoni. Kvarki so fermioni in imajo polovično število vrtljajev ½. Če sta momenta gibalne količine kvarka in antikvarka vzporedna, potem njunavsota - mezonski spin - je enaka 1, če je antiparalelna, bo enaka nič.
Zaradi medsebojnega kroženja para komponent ima mezon tudi orbitalno kvantno število, ki prispeva k njegovi masi. Orbitalni zagon in spin določata skupni kotni zagon delca, ki je povezan s konceptom prostorske ali P-parnosti (določena simetrija valovne funkcije glede na zrcalno inverzijo). V skladu s kombinacijo spina S in notranje (povezane z lastnim referenčnim okvirom delca) P-paritete se razlikujejo naslednje vrste mezonov:
- psevdoskalar - najlažji (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalar (S=0, P=1);
- psevdo-vektor (S=1, P=1).
Zadnje tri vrste so zelo masivni mezoni, ki so visokoenergetska stanja.
Izotopske in enotne simetrije
Za razvrstitev mezonov je priročno uporabiti posebno kvantno število - izotopski spin. V močnih procesih delci z enako vrednostjo izospin sodelujejo simetrično, ne glede na njihov električni naboj, in jih lahko predstavimo kot različna stanja naboja (izospinske projekcije) enega objekta. Nabor takšnih delcev, ki so po masi zelo blizu, se imenuje izomultiplet. Na primer, izotriplet piona vključuje tri stanja: π+, π0 in π--mezon.
Vrednost izospina se izračuna po formuli I=(N–1)/2, kjer je N število delcev v multipletu. Tako je izospin piona enak 1 in njegove projekcije Iz v posebnem nabojupresledki so +1, 0 in -1. Štirje nenavadni mezoni - kaoni - tvorijo dva izodubleta: K+ in K0 z izospinom +½ in čudnostjo +1 ter dubletom antidelcev K- in K̄0, za katere so te vrednosti negativne.
Električni naboj hadronov (vključno z mezoni) Q je povezan z izospinsko projekcijo Iz in tako imenovanim hipernabojem Y (vsota barionskega števila in vseh okusov številke). To razmerje je izraženo s formulo Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. Jasno je, da imajo vsi člani enega multipleta enak hipernaboj. Barionsko število mezonov je nič.
Potem so mezoni združeni z dodatnim vrtenjem in pariteto v supermultiplete. Osem psevdoskalarnih mezonov tvori oktet, vektorski delci tvorijo nonet (devet) itd. To je manifestacija simetrije višje ravni, imenovane enotna.
Mezoni in iskanje nove fizike
Trenutno fiziki aktivno iščejo pojave, katerih opis bi vodil v širitev Standardnega modela in ga presegel z izgradnjo globlje in splošnejše teorije mikrosveta - Nove fizike. Predvideva se, da bo standardni model vanj vnesel kot omejujoč nizkoenergijski primer. Pri tem iskanju igra študij mezonov pomembno vlogo.
Posebej zanimivi so eksotični mezoni - delci s strukturo, ki ne sodi v okvir običajnega modela. Torej, pri Velikem hadronuCollider je leta 2014 potrdil tetrakvark Z(4430), vezano stanje dveh parov ud̄cc̄ kvark-antikvark, vmesni razpadni produkt čudovitega B mezona. Ti razpadi so zanimivi tudi z vidika morebitnega odkritja hipotetičnega novega razreda delcev - leptokvarkov.
Modeli predvidevajo tudi druga eksotična stanja, ki jih je treba uvrstiti med mezone, saj sodelujejo v močnih procesih, vendar imajo nič barionskega števila, kot so glueballs, ki jih tvorijo samo gluoni brez kvarkov. Vsi takšni predmeti lahko bistveno dopolnijo naše znanje o naravi temeljnih interakcij in prispevajo k nadaljnjemu razvoju fizike mikrosveta.
