Dvidešimtojo amžiaus viduryje fizikoje atsirado „dalelių zoologijos sodo“sąvoka, reiškianti įvairias elementarias materijos sudedamąsias dalis, su kuriomis mokslininkai susidūrė sukūrę pakankamai galingus greitintuvus. Vieni gausiausių „zoologijos sodo“gyventojų buvo objektai, vadinami mezonais. Ši dalelių šeima kartu su barionais yra įtraukta į didelę hadronų grupę. Jų tyrimas leido įsiskverbti į gilesnį materijos struktūros lygmenį ir prisidėjo prie žinių apie ją suskirstymo į šiuolaikinę pagrindinių dalelių ir sąveikos teoriją – standartinį modelį.
Atradimų istorija
XX amžiaus ketvirtojo dešimtmečio pradžioje, išsiaiškinus atomo branduolio sudėtį, iškilo klausimas dėl jėgų, kurios užtikrino jo egzistavimą, prigimtį. Buvo aišku, kad sąveika, jungianti nukleonus, turi būti itin intensyvi ir vykdoma keičiantis tam tikroms dalelėms. 1934 metais japonų teoretiko H. Yukawa atlikti skaičiavimai parodė, kad šie objektai yra 200–300 kartų didesni už elektrono masę iratitinkamai kelis kartus prastesnis už protoną. Vėliau jie gavo mezonų pavadinimą, kuris graikų kalba reiškia „viduris“. Tačiau pirmasis jų tiesioginis aptikimas pasirodė esąs „uždegimo sutrikimas“dėl labai skirtingų dalelių masių artumo.
1936 m. kosminiuose spinduliuose buvo aptikti objektai (jie buvo vadinami mu-mezonais), kurių masė atitinka Jukavos skaičiavimus. Atrodė, kad ieškomas branduolinių jėgų kvantas buvo rastas. Bet tada paaiškėjo, kad mu-mezonai yra dalelės, nesusijusios su mainų sąveika tarp nukleonų. Jie kartu su elektronu ir neutrinu priklauso kitai mikrokosmoso objektų klasei – leptonams. Dalelės buvo pervadintos miuonais, o paieškos tęsėsi.
Yukawa kvantai buvo atrasti tik 1947 m. ir buvo vadinami „pi-mezonais“arba pionais. Paaiškėjo, kad elektriškai įkrautas arba neutralus pi-mezonas iš tiesų yra ta dalelė, kurios mainai leidžia branduolyje kartu egzistuoti nukleonams.
Mezono struktūra
Paaiškėjo beveik iš karto: bijūnai į „dalelių zoologijos sodą“atkeliavo ne vieni, o su daugybe giminaičių. Tačiau dėl šių dalelių skaičiaus ir įvairovės buvo galima nustatyti, kad tai nedidelio skaičiaus pagrindinių objektų deriniai. Kvarkai pasirodė esą tokie struktūriniai elementai.
Mezonas yra surišta kvarko ir antikvarko būsena (ryšys vykdomas stiprios sąveikos kvantų – gliuonų) pagalba. „Stiprus“kvarko krūvis yra kvantinis skaičius, sutartinai vadinamas „spalva“. Tačiau visi hadronaiir mezonai tarp jų yra bespalviai. Ką tai reiškia? Mezoną gali sudaryti skirtingų tipų kvarkas ir antikvarkas (arba, kaip sakoma, skoniai, „skoniai“), tačiau jame visada derinama spalva ir antispalvė. Pavyzdžiui, π+-mezoną sudaro u-kvarko – anti-d-kvarko (ud̄) pora, o jų spalvų krūvių derinys gali būti „mėlynas – anti- mėlyna“, „raudona – anti-raudona“arba žalia-anti-žalia. Pasikeitus gliuonams, pasikeičia kvarkų spalva, o mezonas lieka bespalvis.
Vyresnės kartos kvarkai, tokie kaip s, c ir b, savo suformuotiems mezonams suteikia atitinkamus skonius – keistumą, žavesį ir žavesį, išreiškiamą jų pačių kvantiniais skaičiais. Sveikasis mezono elektrinis krūvis susideda iš jį sudarančių dalelių ir antidalelių dalinių krūvių. Be šios poros, vadinamos valentiniais kvarkais, mezonas apima daug ("jūros") virtualių porų ir gliuonų.
Mezonai ir pagrindinės jėgos
Mezonai, tiksliau, juos sudarantys kvarkai dalyvauja visų tipų sąveikose, aprašytose standartiniame modelyje. Sąveikos intensyvumas yra tiesiogiai susijęs su jos sukeliamų reakcijų simetrija, tai yra su tam tikrų kiekių išsaugojimu.
Silpni procesai yra mažiausiai intensyvūs, jie tausoja energiją, elektros krūvį, impulsą, kampinį momentą (sukimąsi) – kitaip tariant, veikia tik universalios simetrijos. Elektromagnetinės sąveikos metu taip pat išsaugomi mezonų pariteto ir skonio kvantiniai skaičiai. Tai procesai, kurie vaidina svarbų vaidmenį reakcijoseirti.
Stipri sąveika yra simetriškiausia, išsaugant kitus kiekius, ypač izospiną. Jis yra atsakingas už nukleonų sulaikymą branduolyje per jonų mainus. Išspinduliuojant ir sugeriant įkrautus pi-mezonus, protonas ir neutronas patiria abipuses transformacijas, o keičiantis neutraliajai dalelei, kiekvienas iš nukleonų lieka savimi. Kaip tai galima pavaizduoti kvarkų lygyje, parodyta paveikslėlyje žemiau.
Stipri sąveika taip pat reguliuoja mezonų sklaidą nukleonais, jų susidarymą hadronų susidūrimų metu ir kitus procesus.
Kas yra kvarkonis
Kvarkono ir to paties skonio antikvarko derinys vadinamas kvarkonija. Šis terminas paprastai taikomas mezonams, kuriuose yra didžiulių c ir b kvarkų. Itin sunkus t-kvarkas išvis nespėja pereiti į surištą būseną, akimirksniu suyra į lengvesnes. Derinys cc̄ vadinamas šarmoniumu, arba dalele su paslėptu žavesiu (J/ψ-mezonas); derinys bb̄ – tai butoniumas, turintis paslėptą žavesį (Υ-mezonas). Abiems būdinga daug rezonansinių – sužadintų – būsenų.
Šviesių komponentų – uū, dd̄ arba ss̄ – sudarytos dalelės yra skonių superpozicija (superpozicija), nes šių kvarkų masės yra artimos vertės. Taigi, neutralus π0-mezonas yra superpozicija būsenų uū ir dd̄, kurios turi tą patį kvantinių skaičių rinkinį.
Mezono nestabilumas
Dalelių ir antidalelių derinys lemiakad bet kurio mezono gyvenimas baigiasi jų sunaikinimu. Tarnavimo laikas priklauso nuo to, kuri sąveika kontroliuoja skilimą.
- Mezonai, kurie suyra per "stipraus" naikinimo kanalą, tarkime, į gliuonus ir vėliau gimsta nauji mezonai, gyvena neilgai - 10-20 - 10 - 21 p. Tokių dalelių pavyzdys yra kvarkonija.
- Elektromagnetinis anihiliacija taip pat yra gana intensyvi: π0-mezono, kurio kvarko ir antikvarko pora anihiliuojasi į du fotonus su beveik 99% tikimybe, gyvavimo trukmė yra maždaug 8 ∙ 10 -17 s.
- Silpnas sunaikinimas (skilimas į leptonus) vyksta daug mažesniu intensyvumu. Taigi, įkrautas pionas (π+ – ud̄ – arba π- – dū) gyvena gana ilgai – vidutiniškai 2,6 ∙ 10-8 s ir paprastai suyra į miuoną ir neutriną (arba atitinkamas antidaleles).
Dauguma mezonų yra vadinamieji hadronų rezonansai, trumpalaikiai (10-22 – 10-24 c) reiškiniai, kurie atsiranda tam tikruose didelės energijos diapazonuose, panašiuose į sužadintos atomo būsenas. Jie nėra registruojami detektoriuose, bet apskaičiuojami pagal reakcijos energijos balansą.
Sukimasis, orbitos impulsas ir paritetas
Skirtingai nei barionai, mezonai yra elementariosios dalelės, kurių sukimosi skaičius yra sveikasis skaičius (0 arba 1), tai yra, jie yra bozonai. Kvarkai yra fermionai ir turi pusės sveikojo skaičiaus sukimąsi ½. Jei kvarko ir antikvarko impulso momentai yra lygiagretūs, tai jųsuma - mezono sukinys - lygi 1, jei antilygiagreti, ji bus lygi nuliui.
Dėl abipusės komponentų poros cirkuliacijos mezonas taip pat turi orbitinį kvantinį skaičių, kuris prisideda prie jo masės. Orbitos impulsas ir sukimasis lemia bendrą kampinį dalelės impulsą, susijusį su erdvinio arba P-pariteto samprata (tam tikra bangos funkcijos simetrija veidrodžio inversijos atžvilgiu). Pagal sukinio S ir vidinio (susijusio su pačios dalelės atskaitos sistema) P-pariteto derinį, išskiriami šie mezonų tipai:
- pseudoskalarinis – šviesiausias (S=0, P=-1);
- vektorius (S=1, P=-1);
- skaliarinis (S=0, P=1);
- pseudovektorius (S=1, P=1).
Paskutiniai trys tipai yra labai masyvūs mezonai, kurie yra didelės energijos būsenos.
Izotopinės ir vienetinės simetrijos
Mezonų klasifikavimui patogu naudoti specialų kvantinį skaičių – izotopinį sukinį. Stipriuose procesuose dalelės, turinčios tą pačią izospino vertę, dalyvauja simetriškai, nepaisant jų elektros krūvio, ir gali būti pavaizduotos kaip skirtingos vieno objekto krūvio būsenos (izospino projekcijos). Tokių dalelių, kurių masė labai artima, rinkinys vadinamas izomultipletu. Pavyzdžiui, piono izotripletas apima tris būsenas: π+, π0 ir π--mezonas.
Izospino vertė apskaičiuojama pagal formulę I=(N–1)/2, kur N yra dalelių skaičius multiplete. Taigi piono izospinas lygus 1, o jo projekcijos Iz specialiu krūviutarpai yra atitinkamai +1, 0 ir -1. Keturi keisti mezonai – kaonai – sudaro du izodubletus: K+ ir K0 su izospinu +½ ir keistumu +1 bei antidalelių K dubletu.- ir K̄0, kurių vertės yra neigiamos.
Hadronų (įskaitant mezonus) elektrinis krūvis Q yra susijęs su izospino projekcija Iz ir vadinamuoju hiperkrūviu Y (bariono skaičiaus ir viso skonio suma skaičiai). Šis ryšys išreiškiamas Nishijima-Gell-Mann formule: Q=Iz + Y/2. Akivaizdu, kad visi vieno multipleto nariai turi tą patį hiperįkrovą. Barioninis mezonų skaičius lygus nuliui.
Tada mezonai sugrupuojami su papildomu sukimu ir paritetu į supermultipletus. Aštuoni pseudoskalariniai mezonai sudaro oktetą, vektorinės dalelės – nonetą (devyni) ir t.t. Tai aukštesnio lygio simetrijos, vadinamos vienetine, pasireiškimas.
Mesonai ir naujos fizikos paieška
Šiuo metu fizikai aktyviai ieško reiškinių, kurių aprašymas paskatintų Standartinio modelio išplėtimą ir peržengti jo ribas sukūrus gilesnę ir bendresnę mikropasaulio teoriją – Naująją fiziką. Daroma prielaida, kad standartinis modelis bus įvestas kaip ribojantis, mažai energijos suvartojantis atvejis. Šioje paieškoje svarbų vaidmenį atlieka mezonų tyrimas.
Ypatingą susidomėjimą kelia egzotiški mezonai – dalelės, kurių struktūra netelpa į įprasto modelio rėmus. Taigi, prie didžiojo hadronoCollider 2014 m. patvirtino Z(4430) tetrakvarką, dviejų ud̄cc̄ kvarko ir antikvarko porų susietą būseną, tarpinį gražiojo B mezono skilimo produktą. Šie skilimai taip pat įdomūs dėl galimo hipotetinės naujos dalelių klasės – leptokvarkų – atradimo.
Modeliai taip pat numato ir kitas egzotiškas būsenas, kurios turėtų būti priskirtos mezonams, nes jos dalyvauja stipriuose procesuose, bet turi nulinį barionų skaičių, pavyzdžiui, klijų kamuoliukus, kuriuos sudaro tik gliuonai be kvarkų. Visi tokie objektai gali žymiai papildyti mūsų žinias apie esminių sąveikų pobūdį ir prisidėti prie tolesnio mikropasaulio fizikos vystymosi.
