Мезон

Матеріал з Вікіпедії - вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Мезон (від грец. Μέσος 'середній') - Адрон [1] , що має нульове значення баріонів числа . У Стандартної моделі мезони - складові елементарні частинки , що складаються з рівного числа кварків і антикварків . До мезонів відносяться півонії мезони), каона (K-мезони) і інші, більш важкі, мезони.

МезонМезонБарионНуклонКваркЛептонЭлектронАдронАтомМолекулаФотонW- и Z-бозоныГлюонГравитонЭлектромагнитное взаимодействиеСлабое взаимодействиеСильное взаимодействиеГравитацияКвантовая электродинамикаКвантовая хромодинамикаКвантовая гравитацияЭлектрослабое взаимодействиеТеория великого объединенияТеория всегоЭлементарная частицаВеществоБозон Хиггса
Короткий огляд різних сімейств елементарних і складових частинок і теорії, що описують їх взаємодії . Елементарні частинки зліва - ферміони , праворуч - бозони . (Терміни - гіперпосилання на статті ВП)

Спочатку мезони були передбачені як частки, що є переносниками сильного взаємодії і відповідають за утримання протонів і нейтронів в атомних ядрах.

Все мезони нестабільні. Завдяки наявності енергії зв'язку маса мезона у багато разів більше суми мас складових його кварків.

Передбачення і виявлення

У 1934 році японський фізик Х. Юкава побудував першу кількісну теорію взаємодії нуклонів , що відбувається за допомогою обміну ще не відкритими тоді частинками, які зараз відомі як півонії (або пі-мезони). Згодом Х. Юкава був нагороджений в 1949 році Нобелівською премією з фізики - за передбачення існування мезонів на основі теоретичної роботи з ядерних силам [2] [3] .

Спочатку термін «мезон» мав сенс «середній по масі», тому першим в розряд мезонів потрапив (через підходящої маси) виявлений в 1936 році мюон , який назвали μ мезони. Спочатку його і прийняли за мезон Юкави; проте в 1940-х роках було встановлено, що мюон не схильний до сильному взаємодії і відноситься, як і електрон , до класу лептонів (тому й назва μ-мезон є неправильним, так що фахівці зазвичай його уникають). Першим справжнім мезоном виявився відкритий в 1947 році півонія , дійсно є переносником ядерних взаємодій у відповідності з теорією Юкави (дану роль він виконує на відстанях порядку комптонівської довжини хвилі півонії, що становить приблизно 1,46 · 10 -15 м, в той час як на менших відстанях істотний внесок в ядерні взаємодії вносять більш важкі мезони: ρ -, φ -, ω -мезони і ін.) [2][4] .

До відкриття тетракварк вважалося, що всі відомі мезони складаються з пари кварк -антікварк (т. Н. Валентних кварків) і з «моря» віртуальних кварк-антикваркових пар і віртуальних глюонів . При цьому валентні кварки можуть існувати не тільки в «чистому» вигляді, але і у вигляді суперпозиції станів з різним ароматом ; наприклад, нейтральний півонія не є ні парою , Ні парою кварків, а являє собою суперпозицію обох: [5] .

Залежно від комбінації значень повного кутового моменту J і парності P (позначається J P) розрізняють Псевдоскалярний [en] (0 -), векторні (1 -), скалярні [en] (0 +), псевдовекторние [en] (1 +) та інші мезони[6] . Псевдоскалярний мезони мають мінімальну енергію спокою , так як в них кварк і антикварк мають антипаралельні спини ; після них ідуть більш важкі векторні мезони, в яких спини кварків паралельні. Ці ж і інші типи мезонів зустрічаються в більш високих енергетичних станах, в яких спін складається з орбітальним кутовим моментом (сьогоднішня картина внутрішньоядерних сил досить складна, для детального ознайомлення з роллю мезонів, см. Сучасний стан теорії сильних взаємодій ).

Починаючи з 2003 року в фізичних журналах з'являлися повідомлення про відкриття частинок, що розглядаються як «кандидати» в тетракварк. Природа однієї з них - мезонного резонансу Z (4430) , вперше виявленого колаборацією Belle в 2007 році [7] , була надійно підтверджена в 2014 році в експериментах колаборації LHCb [8] . Встановлено, що цей резонанс має кваркової склад і відноситься до типу псевдовекторних мезонів [9] .

Номенклатура мезонів [10]

Ім'я мезона утворюється так, щоб вона визначала його основні властивості. Відповідно, за заданими властивостями мезона можна однозначно визначити його найменування. Способи іменування поділяються на дві категорії, в залежності від того, має мезон «аромат» чи ні.

Мезони без аромату

Мезони без аромату - це такі мезони, все квантові числа ароматів яких дорівнюють нулю. Це означає, що ці мезони є станами кварконія (пар кварк-антікварк однакового аромату) або лінійними комбінаціями таких станів.

Ім'я мезона визначається його сумарним спіном S і сумарним орбітальним кутовим моментом L. Так як мезон складається з двох кварків з s = 1/2, сумарний спін може бути тільки S = 1 (паралельні спини) або S = 0 (антипаралельні спини). Орбітальний квантове число L з'являється за рахунок обертання одного кварка навколо іншого. Зазвичай більший орбітальний момент проявляється у вигляді більшої маси мезона. Ці два квантових числа визначають парність P і (для нейтральних мезонів) зарядово-пов'язану парність C мезона:

P = (-1) L +1
C = (-1) L + S

Також L і S складаються в повний кутовий момент J, який може приймати значення від | L - S | до L + S з кроком одиниця. Можливі комбінації описуються за допомогою символу ( терма ) 2 S +1 L J (замість числового значення L використовується літерний код, див. Спектроскопічні символи ) і символу J PC (для позначення використовується тільки знак P і C).

Можливі комбінації і відповідні позначення мезонів дані в таблиці:

J PC = (0, 2 ...) - + (1, 3 ...) + - (1,2 ...) - - (0, 1 ...) + +
кваркової склад 2 S +1 L J = * 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 η c h c ψ χ c
I = 0 η b h b Υ ** χ b

Примітки:

* Деякі комбінації заборонені: 0 - - 0 + -, 1 - +, 2 + -, 3 - + ...
Перший ряд утворює ізоспіновие триплети: π -, π 0, π + і т. Д.
Другий ряд містить пари частинок: φ передбачається станом , А ω - станом В інших випадках точний склад невідомий, так що використовується штрих для розрізнення двох форм.
З історичних причин, 1³ S 1 форма ψ називається J / ψ .
** Символом стану боттоніум є титульний іпсилон Υ (в залежності від браузера може відображатися як заголовна Y).

Нормальні спін-парні послідовності формуються мезонами, у яких P = (-1) J. У нормальній послідовності S = 1, так що PC = +1 (тобто P = C). Це відповідає деяким тріплетним станів (вказані в двох останніх стовпчиках).

Оскільки деякі з символів можуть вказувати на більш ніж одну частинку, є додаткові правила:

  • У цій схемі частки з J P = 0 - відомі як псевдоскаляром, а мезони з J P = 1 - називаються векторами. Для інших частинок число J додається у вигляді нижнього індексу: a 0, a 1, χ c 1 і т. Д.
  • Для більшості ψ, Υ і χ станів зазвичай додають до позначення спектроскопічну інформацію: Υ (1 S), Υ (2 S). Перше число - це головне квантове число , а буква є спектроскопическим позначенням L. Мультиплетність опускається, так як вона випливає з букви, до того ж J при необхідності пишуть у вигляді нижнього індексу: χ b 2 (1 P). Якщо спектроскопічна інформація недоступна, то замість неї використовується маса: Υ (9460)
  • Схема позначень не розрізняє між «чистими» кваркового станами і станами глюонів . Тому глюоніевие стану використовують таку ж схему позначень.
  • Для екзотичних мезонів з «забороненим» набором квантових чисел J PC = 0 - - 0 + -, 1 - +, 2 + -, 3 - +, ... використовують ті ж позначення, що і для мезонів з ідентичними числами PC, за винятком добавки нижнього індексу J. Мезони з ізоспіном 0 і J PC = 1 - + позначаються як η 1. Коли квантові числа частки невідомі, вона позначається як X із зазначенням маси в дужках.

Мезони з ароматом

Для мезонів з ароматом схема назв трохи простіше.

1. Ім'я дає мезони найважчий з двох кварків. Порядок від важкого до легкого наступний: t> b> c> s> d> u. Однак у u - і d кварка аромату немає, внаслідок цього вони не впливають на назву. Кварк t ніколи не зустрічається в адронів, але символ для мезонів, що містять t, зарезервований.

кварк символ кварк символ
c D t T
s b
Слід відзначити той факт, що з s - і b кварка використовується символ античастинки. Це відбувається через прийнятий угоди про те, що заряд аромату і електричний заряд повинні мати однаковий знак. Це ж вірно і для третин компоненти ізоспіна : кварк u має позитивну проекцію ізоспіна I 3 і заряд, а кварк d має негативні I 3 і заряд. В результаті будь-який аромат зарядженого мезона має той же знак, що і його електричний заряд.

2. Якщо другий кварк теж має аромат (будь-який, крім u і d), то його наявність позначається у вигляді нижнього індексу (s, c або b і, теоретично, t).

3. Якщо мезон належить нормальної спін-парної послідовності, тобто J P = 0 +, 1 -, 2 +, ..., то додається верхній індекс «*».

4. Для мезонів, за винятком псевдоскаляром (0 -) і векторів (1 -), додається у вигляді нижнього індексу квантове число повного кутового моменту J.

Підводячи підсумок, отримаємо:

кваркової склад ізоспін J P = 0 -, 1 +, 2 - ... J P = 0 +, 1 -, 2 + ...
1/2
1/2
0
1/2
0
0
J опущений для 0 - and 1 -.

Іноді частинки можуть змішуватися. Наприклад, нейтральний каона і його античастинка в слабких взаємодіях , як показали в 1955 році М. Гелл-Манн і А. Пайс , поводяться як симетрична або антисиметрична комбінації, кожній з яких відповідає своя частка: короткоживучий нейтральний каона з PC = +1, зазвичай розпадається на два півонії 0 π 0 або π + π -), і долгоживущий нейтральний каона з PC = -1, зазвичай розпадається або на три півонії, або на півонія, електрон (або мюон) і нейтрино [11] .

Таблиця деяких мезонів

Різні типи мезонів (в повному обсязі)
Частка позначення античастинка склад Маса , М еВ / c ² S C B час життя , з
Півонія π + π - 139,6 0 0 0 2,60⋅10 -8
π 0 135,0 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
ця η 0 547,8 0 0 0 0,5⋅10 -18
Ро ρ + ρ - 776 0 0 0 0,4⋅10 -23
фі φ 1019 0 0 0 16⋅10 -23
D D + D - тисяча вісімсот шістьдесят дев'ять 0 +1 0 10,6⋅10 -13
D 0 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
B 0 5279 0 0 -1 1,5⋅10 -12
іпсилон Υ 9460 0 0 0 1,3⋅10 -20

Див. також

Примітки

  1. Класифікація адронів Вступні слова
  2. 1 2 Намбу, YOітіро. . 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 звернення: 23 апреля 2020.
  4. Бояркіна, 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. Бояркіна, 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 → K π ± 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 року, 112. - P. 222002-1-222002-9. - doi : 10.1103 / PhysRevLett.112.222002 .
  9. Іванов, Ігор. Новини Великого адронного коллайдера. Експеримент LHCb остаточно довів реальність екзотичного мезона Z (4430) // Сайт elementy.ru (15.04.2014). Дата звернення: 23 апреля 2020.
  10. Naming scheme for hadrons (англ.) . Particle Data Group (24.02.2021).
  11. Kaon Physics / Ed. by JL Rosner and BD Winstein. - Chicago: University of Chicago Press, 2001. - xv + 624 p. - ISBN 0-226-90228-5 . - P. 3-4, 15.

література

посилання