Sredinom 20. veka u fizici se pojavio koncept "zoološkog vrta čestica", što znači niz elementarnih sastojaka materije, sa kojima su se naučnici susreli nakon što su stvoreni dovoljno moćni akceleratori. Jedan od najbrojnijih stanovnika "zoološkog vrta" bili su objekti zvani mezoni. Ova porodica čestica, zajedno sa barionima, uključena je u veliku grupu adrona. Njihovo proučavanje omogućilo je da se prodre na dublji nivo strukture materije i doprinijelo je uvođenju znanja o njoj u modernu teoriju fundamentalnih čestica i interakcija - Standardni model.
Historija otkrića
Početkom 1930-ih, nakon što je razjašnjen sastav atomskog jezgra, postavilo se pitanje o prirodi sila koje su osigurale njegovo postojanje. Bilo je jasno da interakcija koja vezuje nukleone mora biti izuzetno intenzivna i da se odvija razmjenom određenih čestica. Proračuni koje je 1934. izvršio japanski teoretičar H. Yukawa pokazali su da su ti objekti 200-300 puta veći od elektrona po masi i,respektivno, nekoliko puta inferioran u odnosu na proton. Kasnije su dobili ime mezon, što na grčkom znači "sredina". Međutim, pokazalo se da je njihova prva direktna detekcija bila "promašaj" zbog blizine masa veoma različitih čestica.
1936. godine, objekti (zvali su se mu-mezoni) sa masom koja odgovara Yukawinim proračunima otkriveni su u kosmičkim zracima. Činilo se da je traženi kvant nuklearnih sila pronađen. Ali onda se pokazalo da su mu-mezoni čestice koje nisu povezane s razmjenskim interakcijama između nukleona. Oni, zajedno sa elektronom i neutrinom, pripadaju drugoj klasi objekata u mikrokosmosu - leptonima. Čestice su preimenovane u mione i potraga je nastavljena.
Yukawa kvanti su otkriveni tek 1947. godine i nazvani su "pi-mezoni", ili pioni. Ispostavilo se da je električno nabijen ili neutralni pi-mezon zaista čestica čija izmjena omogućava da nukleoni koegzistiraju u jezgru.
Meson struktura
Gotovo odmah je postalo jasno: božuri su došli u "zoološki vrt čestica" ne sami, već sa brojnim rođacima. Međutim, zahvaljujući broju i raznolikosti ovih čestica bilo je moguće utvrditi da su to kombinacije malog broja osnovnih objekata. Ispostavilo se da su kvarkovi takvi strukturni elementi.
Mezon je vezano stanje kvarka i antikvarka (veza se vrši pomoću kvanta jake interakcije - gluona). "Jaki" naboj kvarka je kvantni broj, konvencionalno nazvan "boja". Međutim, svi hadronia mezoni među njima su bezbojni. Šta to znači? Mezon se može formirati od kvarka i antikvarka različitih tipova (ili, kako se kaže, aroma, „aroma“), ali uvijek kombinuje boju i antiboju. Na primjer, π+-mezon formira par u-kvark - anti-d-kvark (ud̄), a kombinacija njihovih boja naboja može biti "plavo - anti- plavo", "crveno - anti-crveno" ili zeleno-anti-zeleno. Razmjena gluona mijenja boju kvarkova, dok mezon ostaje bezbojan.
Kvarkovi starijih generacija, kao što su s, c i b, daju odgovarajuće arome mezonima koje formiraju - neobičnost, šarm i šarm, izražene sopstvenim kvantnim brojevima. Cjelobrojni električni naboj mezona sastoji se od frakcijskih naboja čestica i antičestica koje ga formiraju. Pored ovog para, zvanog valentni kvarkovi, mezon uključuje mnoge ("morske") virtuelne parove i gluone.
Mezoni i fundamentalne sile
Mezoni, odnosno kvarkovi koji ih čine, učestvuju u svim vrstama interakcija opisanih Standardnim modelom. Intenzitet interakcije je direktno povezan sa simetrijom reakcija koje ona izaziva, odnosno sa očuvanjem određenih količina.
Slabi procesi su najmanje intenzivni, oni štede energiju, električni naboj, zamah, ugaoni moment (spin) – drugim riječima, djeluju samo univerzalne simetrije. U elektromagnetnoj interakciji, paritet i kvantni brojevi mezona su također očuvani. To su procesi koji igraju važnu ulogu u reakcijamaraspadanje.
Jaka interakcija je najsimetričnija, čuvajući druge količine, posebno izospin. Odgovoran je za zadržavanje nukleona u jezgru putem jonske izmjene. Emitujući i apsorbujući nabijene pi-mezone, proton i neutron prolaze međusobne transformacije, a pri razmjeni neutralne čestice svaki od nukleona ostaje sam za sebe. Kako se to može predstaviti na nivou kvarkova prikazano je na slici ispod.
Snažna interakcija takođe upravlja rasipanjem mezona nukleonima, njihovom proizvodnjom u sudarima hadrona i drugim procesima.
Šta je kvarkonijum
Kombinacija kvarka i antikvarka iste arome naziva se kvarkonija. Ovaj termin se obično primjenjuje na mezone koji sadrže masivne c- i b-kvarkove. Ekstremno težak t-kvark uopšte nema vremena da uđe u vezano stanje, trenutno se raspada u lakše. Kombinacija cc̄ se naziva čarmonijum, ili čestica sa skrivenim šarmom (J/ψ-mezon); kombinacija bb̄ je bottomonijum, koji ima skriveni šarm (Υ-mezon). Oba karakterizira prisustvo mnogih rezonantnih - uzbuđenih - stanja.
Čestice formirane od svjetlosnih komponenti - uū, dd̄ ili ss̄ - su superpozicija (superpozicija) okusa, budući da su mase ovih kvarkova bliske vrijednosti. Dakle, neutralni π0-mezon je superpozicija stanja uū i dd̄, koja imaju isti skup kvantnih brojeva.
Mesonska nestabilnost
Kombinacija čestice i antičestice rezultirada se život svakog mezona završava njihovim uništenjem. Životni vijek ovisi o tome koja interakcija kontrolira raspad.
- Mezoni koji se raspadaju kroz kanal "jake" anihilacije, recimo, u gluone sa naknadnim rođenjem novih mezona, ne žive dugo - 10-20 - 10 - 21 p. Primjer takvih čestica je kvarkonija.
- Elektromagnetna anihilacija je takođe prilično intenzivna: životni vek π0-mezona, čiji se par kvark-antikvark anihilira u dva fotona sa verovatnoćom od skoro 99%, je oko 8 ∙ 10 -17 s.
- Slaba anihilacija (raspad u leptone) se nastavlja sa mnogo manjim intenzitetom. Dakle, nabijeni pion (π+ – ud̄ – ili π- – dū) živi prilično dugo – u prosjeku 2,6 ∙ 10-8 s i obično se raspada na mion i neutrino (ili odgovarajuće antičestice).
Većina mezona su takozvane hadronske rezonancije, kratkotrajne (10-22 – 10-24 c) fenomeni koji se javljaju u određenim rasponima visoke energije, sličnim pobuđenim stanjima atoma. Oni se ne registruju na detektorima, već se računaju na osnovu energetskog bilansa reakcije.
Spin, orbitalni moment i paritet
Za razliku od bariona, mezoni su elementarne čestice sa cjelobrojnom vrijednošću spin broja (0 ili 1), odnosno oni su bozoni. Kvarkovi su fermioni i imaju polucijeli spin ½. Ako su momenti impulsa kvarka i antikvarka paralelni, onda su njihovizbir - mezonski spin - jednak je 1, ako je antiparalelan, biće jednak nuli.
Usled međusobnog kruženja para komponenti, mezon takođe ima orbitalni kvantni broj, što doprinosi njegovoj masi. Orbitalni moment i spin određuju ukupni ugaoni moment čestice, povezan sa konceptom prostornog, ili P-pariteta (određena simetrija valne funkcije u odnosu na inverziju ogledala). U skladu sa kombinacijom spina S i unutrašnjeg (povezanog sa sopstvenim referentnim okvirom čestice) P-pariteta, razlikuju se sledeće vrste mezona:
- pseudoskalar - najlakši (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalar (S=0, P=1);
- pseudo-vektor (S=1, P=1).
Posljednja tri tipa su vrlo masivni mezoni, koji su visokoenergetska stanja.
Izotopske i unitarne simetrije
Za klasifikaciju mezona zgodno je koristiti poseban kvantni broj - izotopski spin. U jakim procesima, čestice sa istom vrednošću izospina učestvuju simetrično, bez obzira na njihov električni naboj, i mogu se predstaviti kao različita stanja naelektrisanja (izospin projekcije) jednog objekta. Skup takvih čestica, koje su po masi vrlo bliske, naziva se izomultiplet. Na primjer, izotriplet piona uključuje tri stanja: π+, π0 i π--mezon.
Vrijednost izospina se izračunava po formuli I=(N–1)/2, gdje je N broj čestica u multipletu. Dakle, izospin piona je jednak 1, a njegove projekcije Iz u posebnom nabojuprostor su redom +1, 0 i -1. Četiri čudna mezona - kaoni - formiraju dva izodubleta: K+ i K0 sa izospinom +½ i čudnošću +1 i dubletom antičestica K- i K̄0, za koje su ove vrijednosti negativne.
Električni naboj hadrona (uključujući mezone) Q je povezan sa izospin projekcijom Iz i takozvanim hipernaelektrisanjem Y (zbir barionskog broja i svih aroma brojevi). Ovaj odnos je izražen Nishijima–Gell-Mann formulom: Q=Iz + Y/2. Jasno je da svi članovi jednog multipleta imaju isti hipernaboj. Barionski broj mezona je nula.
Zatim, mezoni se grupišu sa dodatnim spinom i paritetom u supermultiplete. Osam pseudoskalarnih mezona formira oktet, vektorske čestice formiraju nonet (devet) i tako dalje. Ovo je manifestacija simetrije višeg nivoa koja se naziva unitarna.
Mezoni i potraga za novom fizikom
Trenutno, fizičari aktivno tragaju za fenomenima čiji bi opis doveo do širenja Standardnog modela i prevazilaženja njega izgradnjom dublje i opštije teorije mikrosvijeta - Nove fizike. Pretpostavlja se da će standardni model ući u njega kao ograničavajući, niskoenergetski slučaj. U ovoj potrazi, proučavanje mezona igra važnu ulogu.
Od posebnog interesa su egzotični mezoni - čestice sa strukturom koja se ne uklapa u okvir uobičajenog modela. Dakle, na Velikom HadronuKolajder je 2014. godine potvrdio Z(4430) tetrakvark, vezano stanje dva ud̄cc̄ para kvark-antikvark, međuproizvod raspada prekrasnog B mezona. Ovi raspadi su zanimljivi i u smislu mogućeg otkrića hipotetičke nove klase čestica - leptokvarkova.
Modeli predviđaju i druga egzotična stanja koja bi trebalo klasifikovati kao mezone, pošto učestvuju u jakim procesima, ali imaju nula bariona, kao što su glueballs, formirani samo od gluona bez kvarkova. Svi takvi objekti mogu značajno dopuniti naše znanje o prirodi fundamentalnih interakcija i doprinijeti daljem razvoju fizike mikrosvijeta.
