20-asrning oʻrtalariga kelib, fizikada “zarrachalar hayvonot bogʻi” tushunchasi paydo boʻldi, yaʼni materiyaning turli xil elementar tarkibiy qismlarini anglatuvchi, olimlar yetarli darajada kuchli tezlatgichlar yaratilgandan keyin duch kelgan. "Hayvonot bog'i" ning eng ko'p aholisidan biri mezonlar deb ataladigan narsalar edi. Bu zarrachalar oilasi barionlar bilan birga adronlarning katta guruhiga kiradi. Ularni o'rganish materiya tuzilishining chuqurroq darajasiga kirishga imkon berdi va u haqidagi bilimlarni zamonaviy fundamental zarralar va o'zaro ta'sirlar nazariyasiga - Standart modelga tartibga solishga yordam berdi.
Kashfiyot tarixi
1930-yillarning boshlarida atom yadrosining tarkibi aniqlangach, uning mavjudligini taʼminlagan kuchlarning tabiati haqida savol tugʻildi. Nuklonlarni bog'laydigan o'zaro ta'sir juda kuchli bo'lishi va ma'lum zarrachalar almashinuvi orqali amalga oshirilishi aniq edi. 1934 yilda yapon nazariyotchisi X. Yukava tomonidan olib borilgan hisob-kitoblar shuni ko'rsatdiki, bu ob'ektlar massasi bo'yicha elektrondan 200-300 marta kattaroq va,mos ravishda protondan bir necha marta pastroq. Keyinchalik ular yunoncha "o'rta" degan ma'noni anglatuvchi mezon nomini oldilar. Biroq, ularning birinchi to'g'ridan-to'g'ri aniqlanishi juda xilma-xil zarrachalar massalarining yaqinligi tufayli "noto'g'ri yonish" bo'lib chiqdi.
1936-yilda kosmik nurlarda massasi Yukava hisob-kitoblariga mos keladigan jismlar (ular mu-mezonlar deb atalgan) topilgan. Yadro kuchlarining izlangan kvanti topilganga o'xshardi. Ammo keyin ma'lum bo'ldiki, mu-mezonlar nuklonlar orasidagi almashinuv o'zaro ta'siriga bog'liq bo'lmagan zarralardir. Ular elektron va neytrino bilan birgalikda mikrokosmosdagi boshqa ob'ektlar sinfiga - leptonlarga kiradi. Zarrachalar nomi muon deb o'zgartirildi va qidiruv davom etdi.
Yukava kvantlari faqat 1947 yilda topilgan va ular "pi-mezonlar" yoki pionlar deb nomlangan. Ma'lum bo'lishicha, elektr zaryadlangan yoki neytral pi-mezon haqiqatan ham zarracha bo'lib, uning almashinuvi yadroda nuklonlarning birga yashashiga imkon beradi.
Mezon tuzilishi
Bu deyarli darhol ma'lum bo'ldi: pionlar "zarralar hayvonot bog'iga" yolg'iz emas, balki ko'plab qarindoshlari bilan kelishdi. Biroq, bu zarralarning soni va xilma-xilligi tufayli ular kam sonli asosiy ob'ektlarning kombinatsiyasi ekanligini aniqlash mumkin edi. Kvarklar shunday strukturaviy elementlar bo'lib chiqdi.
Mezon - kvark va antikvarkning bog'langan holati (bog'lanish kuchli o'zaro ta'sir kvantlari - glyuonlar yordamida amalga oshiriladi). Kvarkning "kuchli" zaryadi kvant soni bo'lib, shartli ravishda "rang" deb ataladi. Biroq, barcha hadronlarva ular orasida mezonlar rangsizdir. Bu nima degani? Mezon har xil turdagi kvark va antikvark (yoki ular aytganidek, lazzatlar, "lazzatlar") tomonidan hosil bo'lishi mumkin, lekin u har doim rang va antikolorni birlashtiradi. Masalan, p+-mezon bir juft u-kvark - anti-d-kvark (ud̄) tomonidan hosil bo'ladi va ularning rang zaryadlarining kombinatsiyasi "ko'k - anti-" bo'lishi mumkin. ko'k", "qizil - qizilga qarshi" yoki yashil-yashil rangga qarshi. Glyuonlar almashinuvi kvarklarning rangini o'zgartiradi, mezon esa rangsiz bo'lib qoladi.
Qadimgi avlodlarning s, c va b kabi kvarklari o'zlari hosil qilgan mezonlarga mos ta'm beradi - o'zlarining kvant raqamlari bilan ifodalangan g'alati, jozibali va jozibali. Mezonning butun elektr zaryadi uni hosil qiluvchi zarralar va antizarralarning kasr zaryadlaridan tashkil topgan. Valentlik kvarklari deb ataladigan bu juftlikka qo'shimcha ravishda mezon ko'plab (“dengiz”) virtual juftlik va glyuonlarni o'z ichiga oladi.
Mezonlar va asosiy kuchlar
Mezonlar, toʻgʻrirogʻi, ularni tashkil etuvchi kvarklar Standart Model tomonidan tasvirlangan barcha turdagi oʻzaro taʼsirlarda qatnashadilar. O'zaro ta'sirning intensivligi bevosita u tufayli yuzaga keladigan reaksiyalarning simmetriyasiga, ya'ni ma'lum miqdorlarning saqlanishiga bog'liq.
Zaif jarayonlar eng kam intensiv bo'lib, ular energiyani, elektr zaryadini, impulsni, burchak momentumini (spin) saqlaydi - boshqacha aytganda, faqat universal simmetriyalar ishlaydi. Elektromagnit o'zaro ta'sirda mezonlarning pariteti va lazzat kvant sonlari ham saqlanib qoladi. Bu reaksiyalarda muhim rol o'ynaydigan jarayonlardirparchalanish.
Kuchli o'zaro ta'sir eng nosimmetrik bo'lib, boshqa miqdorlarni, xususan, izospinni saqlaydi. U ion almashinuvi orqali yadroda nuklonlarni ushlab turish uchun javobgardir. Zaryadlangan pi-mezonlarni chiqarish va yutish orqali proton va neytron o'zaro o'zgarishlarga uchraydi va neytral zarracha almashinuvi jarayonida nuklonlarning har biri o'zi qoladi. Buni kvarklar darajasida qanday tasvirlash mumkinligi quyidagi rasmda ko'rsatilgan.
Kuchli oʻzaro taʼsir shuningdek, mezonlarning nuklonlar tomonidan tarqalishini, adronlar toʻqnashuvida va boshqa jarayonlarda hosil boʻlishini ham boshqaradi.
Kvarkoniy nima
Kvark va bir xil ta'mga ega antikvarkning birikmasi kvarkoniya deyiladi. Bu atama odatda massiv c- va b-kvarklarni o'z ichiga olgan mezonlarga nisbatan qo'llaniladi. O'ta og'ir t-kvarkning bog'langan holatga umuman kirishga vaqti yo'q, bir zumda engilroqlarga aylanadi. cc̄ kombinatsiyasi charmonium yoki yashirin jozibali zarracha (J/ps-meson) deb ataladi; bb̄ kombinatsiyasi yashirin jozibaga ega bo'lgan pastkionium (T-mezon). Har ikkisi ham ko'p rezonansli - hayajonli - holatlar mavjudligi bilan tavsiflanadi.
Yengil komponentlar - uū, dd̄ yoki ss̄ - tomonidan hosil qilingan zarralar lazzatlarning superpozitsiyasi (superpozitsiyasi) hisoblanadi, chunki bu kvarklarning massalari qiymat jihatidan yaqin. Shunday qilib, neytral p0-mezon uu va dd̄ holatlarining superpozitsiyasi boʻlib, ular bir xil kvant sonlari toʻplamiga ega.
Mezon beqarorligi
Zarracha va antizarracha birikmasi natijasidahar qanday mezonning hayoti ularning yo'q bo'lib ketishi bilan tugaydi. Yaroqlilik muddati parchalanishni qaysi o‘zaro ta’sir nazorat qilishiga bog‘liq.
- "Kuchli" yo'q qilish kanali orqali, aytaylik, yangi mezonlarning paydo bo'lishi bilan glyuonlarga aylanadigan mezonlar juda uzoq yashamaydilar - 10-20 - 10 - 21 b. Bunday zarrachalarga kvarkoniyalar misol bo'la oladi.
- Elektromagnit annigilyatsiya ham juda kuchli: kvark-antikvark juftligi deyarli 99% ehtimollik bilan ikki fotonga annigilyatsiya qiluvchi p0-mezonning umri taxminan. 8 ∙ 10 -17 s.
- Zaif annigilyatsiya (leptonlarga parchalanish) ancha kam intensivlik bilan davom etadi. Shunday qilib, zaryadlangan pion (p+ – ud̄ – yoki p- – dū) ancha uzoq umr ko’radi – o’rtacha 2,6 ∙ 10-8 s va odatda muon va neytrinoga (yoki mos keladigan antizarralarga) parchalanadi.
Koʻpchilik mezonlar adron rezonanslari deb ataladigan, qisqa muddatli (10-22 – 10-24 c) hodisalardir. atomning qo'zg'aluvchan holatlariga o'xshash ma'lum yuqori energiya diapazonlarida sodir bo'ladi. Ular detektorlarda qayd etilmagan, lekin reaksiyaning energiya balansi asosida hisoblanadi.
Spin, orbital impuls va parite
Barionlardan farqli o'laroq, mezonlar spin sonining (0 yoki 1) butun qiymatiga ega elementar zarralar, ya'ni ular bozonlardir. Kvarklar fermionlardir va yarim butun spinga ega. Agar kvark va antikvarkning impuls momentlari parallel bo'lsa, ularningyig'indisi - mezon spini - 1 ga teng, agar antiparallel bo'lsa, u nolga teng bo'ladi.
Bir juft komponentning oʻzaro aylanishi tufayli mezon ham uning massasiga hissa qoʻshadigan orbital kvant soniga ega. Orbital momentum va spin zarrachaning umumiy burchak momentini aniqlaydi, bu fazoviy yoki P-paritet tushunchasi bilan bog'liq (oyna inversiyasiga nisbatan to'lqin funktsiyasining ma'lum bir simmetriyasi). Spin S va ichki (zarrachaning o'ziga xos mos yozuvlar doirasi bilan bog'liq) P-paritet kombinatsiyasiga ko'ra, mezonlarning quyidagi turlari ajratiladi:
- psevdoskalar - eng engil (S=0, P=-1);
- vektor (S=1, P=-1);
- skalar (S=0, P=1);
- psevdovektor (S=1, P=1).
Oxirgi uchta tur juda massiv mezonlar boʻlib, ular yuqori energiyali holatlardir.
Izotopik va unitar simmetriyalar
Mezonlarni tasniflash uchun maxsus kvant soni - izotopik spindan foydalanish qulay. Kuchli jarayonlarda bir xil izospin qiymatiga ega bo'lgan zarralar elektr zaryadidan qat'iy nazar simmetrik ravishda ishtirok etadi va bir ob'ektning turli zaryad holatlari (izopin proyeksiyalari) sifatida ifodalanishi mumkin. Massalari jihatidan juda yaqin bo'lgan bunday zarralar to'plamiga izomultiplet deyiladi. Masalan, pion izotripleti uchta holatni o'z ichiga oladi: p+, p0 va p--mezon.
Izospinning qiymati I=(N–1)/2 formulasi boʻyicha hisoblanadi, bu erda N multiletdagi zarrachalar soni. Shunday qilib, pionning izospini 1 ga teng va uning proyeksiyalari maxsus zaryadda Iz.bo'sh joy mos ravishda +1, 0 va -1. To'rtta g'alati mezon - kaonlar ikkita izodublet hosil qiladi: K+ va K0 izospin +½ va g'alati +1 va antizarrachalar dublet K- va K̄0, ular uchun bu qiymatlar manfiy.
Adronlarning (jumladan, mezonlarning) elektr zaryadi Q izospin proyeksiyasi Iz va giperzaryad Y (barion soni va barcha lazzat yig'indisi) bilan bog'liq. raqamlar). Bu munosabat Nishijima-Gell-Mann formulasi bilan ifodalanadi: Q=Iz + Y/2. Bitta multiletning barcha a'zolari bir xil giper zaryadga ega ekanligi aniq. Mezonlarning barion soni nolga teng.
Keyin, mezonlar qoʻshimcha aylanish va paritet bilan supermultipletlarga guruhlanadi. Sakkizta psevdoskalar mezonlar oktetni, vektor zarralari nonet (to'qqiz) va hokazo. Bu unitar deb ataladigan yuqori darajadagi simmetriyaning namoyonidir.
Mezonlar va yangi fizikani qidirish
Hozirda fiziklar hodisalarni faol ravishda qidirmoqdalar, ularning tavsifi Standart Modelning kengayishiga va mikrodunyoning chuqurroq va umumiy nazariyasini - Yangi Fizikani qurish bilan undan tashqariga chiqishga olib keladi. Taxminlarga ko'ra, standart model uni cheklovchi, kam energiyali holat sifatida kiritadi. Bu izlanishda mezonlarni o'rganish muhim rol o'ynaydi.
Ekzotik mezonlar - strukturasi odatiy model doirasiga to'g'ri kelmaydigan zarralar alohida qiziqish uyg'otadi. Shunday qilib, Katta Adronda2014-yilda kollayder Z(4430) tetrakvarkni tasdiqladi, bu ikki ud̄cc̄ kvark-antikvark juftlarining bog‘langan holati, chiroyli B mezonining oraliq parchalanish mahsuloti. Bu parchalanishlar zarrachalarning yangi gipotetik sinfi - leptokvarklarning kashf etilishi nuqtai nazaridan ham qiziq.
Modellar, shuningdek, mezonlar sifatida tasniflanishi kerak bo'lgan boshqa ekzotik holatlarni ham bashorat qiladi, chunki ular kuchli jarayonlarda ishtirok etadilar, lekin barion soni nolga teng, masalan, kvarksiz glyuonlar tomonidan hosil qilingan yelim to'plari. Bunday ob'ektlarning barchasi fundamental o'zaro ta'sirlar tabiati haqidagi bilimimizni sezilarli darajada to'ldirishi va mikrodunyo fizikasining yanada rivojlanishiga hissa qo'shishi mumkin.
