20 ғасырдың ортасына қарай физикада «бөлшектер хайуанаттар бағы» ұғымы пайда болды, бұл материяның әртүрлі элементар құрамдас бөліктерін білдіреді, ғалымдар жеткілікті күшті үдеткіштер жасалғаннан кейін кездестірді. «Хайуанаттар бағының» ең көп тұрғындарының бірі мезондар деп аталатын заттар болды. Бөлшектердің бұл отбасы бариондармен бірге адрондардың үлкен тобына кіреді. Оларды зерттеу материя құрылымының тереңірек деңгейіне енуге мүмкіндік берді және ол туралы білімді іргелі бөлшектер мен өзара әрекеттесулердің заманауи теориясына - Стандартты модельге ретке келтіруге ықпал етті.
Табу тарихы
1930 жылдардың басында атом ядросының құрамы нақтыланғаннан кейін оның өмір сүруін қамтамасыз еткен күштердің табиғаты туралы сұрақ туындады. Нуклондарды байланыстыратын әрекеттесу өте қарқынды және белгілі бір бөлшектердің алмасуы арқылы жүзеге асуы керек екені анық болды. 1934 жылы жапондық теоретик Х. Юкава жүргізген есептеулер бұл объектілердің массасы бойынша электроннан 200–300 есе үлкен екенін көрсетті және,тиісінше протоннан бірнеше есе төмен. Кейінірек олар грек тілінде «ортаңғы» дегенді білдіретін мезон атауын алды. Дегенмен, олардың бірінші тікелей анықтауы өте әртүрлі бөлшектердің массаларының жақындығына байланысты "қате ату" болып шықты.
1936 жылы ғарыштық сәулелерден массасы Юкаваның есептеулеріне сәйкес келетін объектілер (олар му-мезондар деп аталды) табылды. Ядролық күштердің іздеген кванты табылғандай болды. Бірақ кейін му-мезондар нуклондар арасындағы алмасу әрекеттесуге қатысы жоқ бөлшектер екені белгілі болды. Олар электрон және нейтриномен бірге микроәлемдегі объектілердің басқа класына – лептондарға жатады. Бөлшектердің атауы мюондар деп өзгертілді және іздеу жалғасты.
Юкава кванттары 1947 жылы ғана ашылды және олар «пи-мезондар» немесе пиондар деп аталды. Электр заряды бар немесе бейтарап пи-мезон шынымен де алмасуы ядрода нуклондардың қатар өмір сүруіне мүмкіндік беретін бөлшек екені анықталды.
Мезон құрылымы
Бұл бірден белгілі болды: пиондар «бөлшектердің хайуанаттар бағына» жалғыз емес, көптеген туыстарымен келді. Дегенмен, бұл бөлшектердің саны мен әртүрлілігіне байланысты олардың аздаған іргелі объектілердің комбинациясы екенін анықтау мүмкін болды. Кварктар осындай құрылымдық элементтер болып шықты.
Мезон – кварк пен антикварктың байланысқан күйі (байланыс күшті әсерлесу кванттары – глюондар арқылы жүзеге асады). Кварктың «күшті» заряды – шартты түрде «түс» деп аталатын кванттық сан. Дегенмен, барлық адрондаржәне олардың арасындағы мезондар түссіз. Бұл нені білдіреді? Мезон кварк пен әртүрлі типтегі антикварктен (немесе олар айтқандай, дәмдер, «дәмдер») түзілуі мүмкін, бірақ ол әрқашан түс пен антиколорды біріктіреді. Мысалы, π+-мезон жұп u-кварк – анти-д-кварк (ud̄) арқылы түзілген және олардың түс зарядтарының қосындысы «көк - қарсы- болуы мүмкін. көк», «қызыл - қызылға қарсы» немесе жасыл-жасылға қарсы. Глюондардың алмасуы кварктардың түсін өзгертеді, ал мезон түссіз болып қалады.
Аға ұрпақтардың s, c және b сияқты кварктары өздері құрайтын мезондарға сәйкес дәм береді - өздерінің кванттық сандарымен көрсетілген оғаштық, сүйкімділік және сүйкімділік. Мезонның бүтін электр заряды оны құрайтын бөлшектер мен антибөлшектердің бөлшек зарядтарынан тұрады. Валентті кварктар деп аталатын осы жұпқа қосымша, мезон құрамында көптеген («теңіз») виртуалды жұптар мен глюондар бар.
Мезондар және негізгі күштер
Мезондар, дәлірек айтсақ, оларды құрайтын кварктар Стандартты үлгіде сипатталған өзара әрекеттесулердің барлық түрлеріне қатысады. Өзара әрекеттесу қарқындылығы оның әсерінен болатын реакциялардың симметриясына, яғни белгілі бір шамалардың сақталуына тікелей байланысты.
Әлсіз процестер ең аз қарқынды, олар энергияны, электр зарядын, импульсті, бұрыштық импульсті (спин) сақтайды – басқаша айтқанда, тек әмбебап симметриялар әрекет етеді. Электромагниттік әрекеттесуде мезондардың паритетті және дәмдік кванттық сандары да сақталады. Бұл реакцияларда маңызды рөл атқаратын процестерыдырау.
Күшті өзара әрекеттесу басқа шамаларды, атап айтқанда изоспинді сақтай отырып, ең симметриялы болып табылады. Ол ион алмасу арқылы ядродағы нуклондардың сақталуына жауап береді. Зарядталған пи-мезондарды шығару және жұту арқылы протон мен нейтрон өзара түрленуге ұшырайды және бейтарап бөлшектің алмасуы кезінде нуклондардың әрқайсысы өзі қалады. Мұны кварктар деңгейінде қалай көрсетуге болатыны төмендегі суретте көрсетілген.
Күшті өзара әрекеттесу сонымен қатар мезондардың нуклондар арқылы шашырауын, адрон соқтығыстарында және басқа процестерде олардың өндірілуін басқарады.
Кварконий дегеніміз не
Дәмі бір кварк пен антикварктың қосындысы кваркония деп аталады. Бұл термин әдетте массивті с- және b-кварктары бар мезондарға қолданылады. Төтенше ауыр т-кварктың байланысқан күйге мүлдем түсуге уақыты жоқ, бірден жеңілірек күйге ыдырайды. cc̄ комбинациясы шармония немесе жасырын сүйкімді бөлшек (J/ψ-мезон) деп аталады; bb̄ комбинациясы - жасырын сүйкімділігі бар (Υ-мезон) төментоний. Екеуі де көптеген резонанстық - қозған - күйлердің болуымен сипатталады.
Жеңіл құрамдас бөліктерден құралған бөлшектер - uū, dd̄ немесе ss̄ - дәмдердің суперпозициясы (суперпозициясы) болып табылады, өйткені бұл кварктардың массалары мәндері бойынша жақын. Осылайша, бейтарап π0-мезон кванттық сандар жиыны бірдей uū және dd̄ күйлерінің суперпозициясы болып табылады.
Мезон тұрақсыздығы
Бөлшек пен антибөлшек комбинациясы нәтиже бередікез келген мезонның өмірі олардың жойылуымен аяқталады. Өмір сүру ұзақтығы ыдырауды басқаратын әрекетке байланысты.
- «Күшті» жойылу арнасы арқылы, айталық, кейіннен жаңа мезондар туып, глюондарға ыдырайтын мезондар өте ұзақ өмір сүрмейді - 10-20 - 10 - 21 б. Мұндай бөлшектердің мысалы - кваркония.
- Электромагниттік аннигиляция да өте қарқынды: кварк-антикварк жұбы 99% дерлік ықтималдықпен екі фотонға аннигиляцияланатын π0-мезонның өмір сүру уақыты шамамен. 8 ∙ 10 -17 с.
- Әлсіз аннигиляция (лептондарға ыдырау) әлдеқайда аз қарқындылықпен жүреді. Осылайша, зарядталған пион (π+ – ud̄ – немесе π- – dū) өте ұзақ өмір сүреді – орта есеппен 2,6 ∙ 10-8 с және әдетте мюон мен нейтриноға (немесе сәйкес антибөлшектерге) ыдырайды.
Мезондардың көпшілігі адрон резонанстары деп аталатын, қысқа мерзімді (10-22 – 10-24 c) құбылыстар. атомның қозған күйлеріне ұқсас белгілі бір жоғары энергия диапазонында болады. Олар детекторларда тіркелмеген, бірақ реакцияның энергетикалық балансы негізінде есептеледі.
Айналдыру, орбиталық импульс және паритет
Бариондардан айырмашылығы, мезондар спин санының (0 немесе 1) бүтін мәні бар элементар бөлшектер, яғни бозондар. Кварктар фермиондар және жартылай бүтін спині ½. Егер кварк пен антикварктің импульс моменттері параллель болса, онда олардыңқосынды - мезон спин - 1-ге тең, егер антипараллель болса, ол нөлге тең болады.
Компоненттер жұбының өзара айналымының арқасында мезонның массасына ықпал ететін орбиталық кванттық саны да болады. Орбиталық импульс пен спин кеңістіктік немесе Р-паритет (айна инверсиясына қатысты толқындық функцияның белгілі бір симметриясы) ұғымымен байланысты бөлшектің толық бұрыштық импульсін анықтайды. Спиннің S және ішкі (бөлшектің өзіндік санақ жүйесіне қатысты) P-паритетінің комбинациясына сәйкес мезондардың келесі түрлері бөлінеді:
- псевдоскаляр - ең жеңіл (S=0, P=-1);
- вектор (S=1, P=-1);
- скаляр (S=0, P=1);
- псевдовектор (S=1, P=1).
Соңғы үш түрі өте массивті мезондар болып табылады, олар жоғары энергиялы күйлер.
Изотоптық және унитарлық симметриялар
Мезондарды жіктеу үшін арнайы кванттық санды – изотоптық спинді қолданған ыңғайлы. Күшті процестерде изопиндік мәні бірдей бөлшектер олардың электр зарядына қарамастан симметриялы түрде қатысады және бір объектінің әртүрлі заряд күйлері (изопиндік проекциялар) ретінде ұсынылуы мүмкін. Массалары бойынша өте жақын осындай бөлшектердің жиынтығы изомультиплет деп аталады. Мысалы, пиондық изотриплет үш күйді қамтиды: π+, π0 және π--мезон.
Изоспин мәні I=(N–1)/2 формуласымен есептеледі, мұндағы N – мультиплеттегі бөлшектердің саны. Осылайша, пионның изоспині 1-ге тең, ал оның проекциялары арнайы зарядтағы Izкеңістік сәйкесінше +1, 0 және -1. Төрт оғаш мезондар - каондар - екі изодублетті құрайды: K+ және K0 изопин +½ және біртүрлілік +1 және антибөлшектердің дублеті K- және K̄0, олар үшін бұл мәндер теріс.
Адрондардың (соның ішінде мезондардың) электр заряды Q изопиндік проекцияға Iz және гиперзарядқа Y (барион саны мен барлық дәмнің қосындысы) қатысты. сандар). Бұл қатынас Нисидзима–Гелл-Манн формуласымен өрнектеледі: Q=Iz + Y/2. Бір мультиплеттің барлық мүшелері бірдей гиперзарядқа ие екені анық. Мезондардың бариондық саны нөлге тең.
Содан кейін мезондар қосымша айналдыру және паритетпен суперкөптіктерге топтастырылады. Сегіз псевдоскалярлық мезон октет, векторлық бөлшектер ненет (тоғыз) және т.б. Бұл унитарлық деп аталатын жоғары деңгейлі симметрияның көрінісі.
Мезондар және жаңа физиканы іздеу
Қазіргі уақытта физиктер құбылыстарды белсенді түрде іздестіруде, олардың сипаттамасы Стандартты модельдің кеңеюіне және микроәлемнің тереңірек және жалпы теориясының - Жаңа физиканың құрылысымен оның шегінен шығуға әкеледі. Стандартты модель оны шектеуші, энергиясы төмен жағдай ретінде енгізеді деп болжанады. Бұл ізденісте мезондарды зерттеу маңызды рөл атқарады.
Ерекше қызығушылық экзотикалық мезондар - құрылымы әдеттегі модель шеңберіне сәйкес келмейтін бөлшектер. Сонымен, Үлкен адронда2014 жылы коллайдер екі ud̄cc̄ кварк-антикварк жұбының байланысқан күйі, әдемі В мезонының аралық ыдырау өнімі Z(4430) тетракваркты растады. Бұл ыдыраулар гипотетикалық жаңа бөлшектер класының – лептокварктардың ашылуы тұрғысынан да қызықты.
Модельдер мезондар ретінде жіктелуі керек басқа экзотикалық күйлерді де болжайды, өйткені олар күшті процестерге қатысады, бірақ кварктары жоқ глюондар арқылы ғана түзілетін желім шарлары сияқты барион саны нөлге тең. Мұндай нысандардың барлығы іргелі өзара әрекеттесулердің табиғаты туралы білімімізді айтарлықтай толықтыра алады және микроәлем физикасының одан әрі дамуына үлес қоса алады.
