К середине XX века в физике появилось понятие «зоопарка частиц», означающее множество разнообразных элементарных составляющих материи, с которым столкнулись ученые после того, как были созданы достаточно мощные ускорители. Одними из самых многочисленных обитателей «зоопарка» стали объекты, получившие название мезонов. Это семейство частиц наряду с барионами входит в обширную группу адронов. Изучение их позволило проникнуть на более глубокий уровень структуры материи и способствовало упорядочению знаний о ней в современную теорию фундаментальных частиц и взаимодействий – Стандартную модель.
История открытия
Вам будет интересно: Вузы Абакана: список, обзор ведущих учреждений
В начале 1930 годов, после прояснения состава атомного ядра, встал вопрос о природе сил, обеспечивающих его существование. Было ясно, что взаимодействие, связывающее нуклоны, должно быть чрезвычайно интенсивным и осуществляться путем обмена некими частицами. Расчеты, выполненные в 1934 году японским теоретиком Х. Юкавой, показали, что по массе эти объекты превосходят электрон в 200–300 раз и, соответственно, в несколько раз уступают протону. Позднее они получили наименование мезонов, что в переводе с греческого означает «средний». Однако их первое прямое обнаружение оказалось «осечкой», связанной с близостью значения масс очень разных частиц.
Вам будет интересно: Индустриально-педагогический колледж (Минск): адрес, специальности, отзывы
В 1936 году в космических лучах были открыты объекты (их назвали мю-мезонами) с массой, соответствующей расчетам Юкавы. Казалось, искомый квант ядерных сил найден. Но затем выяснилось, что мю-мезоны – это частицы, не имеющие отношения к обменным взаимодействиям между нуклонами. Они вместе с электроном и нейтрино относятся к другому классу объектов микромира – лептонам. Частицы были переименованы в мюоны, а поиски продолжались.
Кванты Юкавы были обнаружены только в 1947 году и получили название «пи-мезоны», или пионы. Оказалось, что электрически заряженный либо нейтральный пи-мезон – это действительно та частица, обмен которой позволяет нуклонам сосуществовать в ядре.
Структура мезонов
Вам будет интересно: Что такое подчеревок и как правильно его приготовить
Практически сразу стало понятно: пионы пришли в «зоопарк частиц» не одни, а с многочисленными родственниками. Однако именно благодаря количеству и разнообразию этих частиц удалось установить, что они являются комбинациями небольшого числа фундаментальных объектов. Такими структурными элементами оказались кварки.
Кварки старших поколений, такие как s, c и b, сообщают образуемым ими мезонам соответствующие ароматы – странность, очарование и прелесть, выражаемые собственными квантовыми числами. Целочисленный электрический заряд мезона складывается из дробных зарядов образующих его частицы и античастицы. Помимо этой пары, именуемой валентными кварками, в состав мезона входит множество («море») виртуальных пар и глюонов.
Мезоны и фундаментальные силы
Мезоны, а точнее, составляющие их кварки, участвуют во всех типах взаимодействий, описываемых Стандартной моделью. Интенсивность взаимодействия прямо связана с симметричностью обусловленных им реакций, то есть с сохранением тех или иных величин.
Наименее интенсивны слабые процессы, в них сохраняются энергия, электрический заряд, импульс, момент импульса (спин), – иначе говоря, действуют лишь универсальные симметрии. В электромагнитном взаимодействии сохраняются также четность и флейворные квантовые числа мезонов. Это – процессы, играющие важную роль в реакциях распада.
Сильное взаимодействие наиболее симметрично, сохраняя и другие величины, в частности, изоспин. Оно ответственно за удержание нуклонов в ядре посредством ионного обмена. Испуская и поглощая заряженные пи-мезоны, протон и нейтрон испытывают взаимные превращения, а при обмене нейтральной частицей каждый из нуклонов остается самим собой. Как это может быть представлено на уровне кварков, демонстрирует рисунок, приведенный ниже.
Вам будет интересно: Что такое подчеревок и как правильно его приготовить
Сильное взаимодействие также управляет рассеянием мезонов на нуклонах, рождением их в адронных столкновениях и другими процессами.
Что такое кварконий
Частицы, образуемые легкими компонентами – uū, dd̄ или ss̄ – являют собой суперпозицию (наложение) ароматов, поскольку массы этих кварков близки по значению. Так, нейтральный π0-мезон – суперпозиция состояний uū и dd̄, обладающих одинаковым набором квантовых чисел.
Нестабильность мезонов
Комбинация частицы и античастицы приводит к тому, что жизнь любого мезона оканчивается их аннигиляцией. Время жизни зависит от того, какое взаимодействие управляет распадом.
Большинство мезонов – это так называемые адронные резонансы, короткоживущие (10-22 – 10-24 c) явления, возникающие в определенных диапазонах высоких энергий, аналогичные возбужденным состояниям атома. Они не регистрируются на детекторах, а вычисляются исходя из энергетического баланса реакции.
Спин, орбитальный момент и четность
В отличие от барионов, мезоны – это элементарные частицы, обладающие целочисленным значением спинового числа (0 или 1), то есть они представляют собой бозоны. Кварки же являются фермионами и имеют полуцелый спин ½. Если моменты импульса кварка и антикварка параллельны, то их сумма – спин мезона – равна 1, если антипараллельны, он будет равняться нулю.
Благодаря взаимному обращению пары компонентов мезон имеет также орбитальное квантовое число, которое вносит вклад в его массу. Орбитальный момент и спин определяют полный угловой момент частицы, связанный с понятием пространственной, или P-четности (определенной симметрии волновой функции относительно зеркальной инверсии). В соответствии с комбинацией спина S и внутренней (связанной с собственной системой отсчета частицы) P-четности различают следующие типы мезонов:
Последние три типа – это мезоны весьма массивные, представляющие собой высокоэнергетические состояния.
Изотопическая и унитарная симметрии
Для классификации мезонов удобно использовать специальное квантовое число – изотопический спин. В сильных процессах частицы с одинаковым значением изоспина участвуют симметрично, независимо от их электрического заряда, и могут быть представлены как различные зарядовые состояния (проекции изоспина) одного объекта. Совокупность таких частиц, очень близких по массе, называется изомультиплетом. Например, изотриплет пионов включает три состояния: π+, π0 и π—мезон.
Электрический заряд адронов (и мезонов в том числе) Q связан с проекцией изоспина Iz и так называемым гиперзарядом Y (суммой барионного числа и всех флейворных чисел). Эта связь выражается формулой Нисидзимы–Гелл-Манна: Q = Iz + Y/2. Ясно, что все члены одного мультиплета имеют одинаковый гиперзаряд. Барионное число мезонов равно нулю.
Затем мезоны группируются с дополнительным учетом спина и четности в супермультиплеты. Восемь псевдоскалярных мезонов образуют октет, векторные частицы – нонет (девятку) и так далее. Это проявление симметрии более высокого уровня, называемой унитарной.
Мезоны и поиск Новой физики
В настоящее время физики ведут активный поиск явлений, описание которых привело бы к расширению Стандартной модели и к выходу за ее пределы с построением более глубокой и общей теории микромира – Новой физики. Предполагается, что Стандартная модель войдет в нее в качестве предельного, низкоэнергетического случая. В этом поиске исследование мезонов играет важную роль.
Особенно большой интерес представляют экзотические мезоны – частицы, имеющие структуру, не укладывающуюся в рамки обычной модели. Так, на Большом адронном коллайдере в 2014 году подтвержден тетракварк Z(4430) – связанное состояние двух кварк-антикварковых пар ud̄cc̄, промежуточный продукт распада прелестного B-мезона. Эти распады интересны и в плане возможного обнаружения гипотетического нового класса частиц – лептокварков.
Модели предсказывают и другие экзотические состояния, которые должны классифицироваться как мезоны, поскольку участвуют в сильных процессах, но имеют при этом нулевое барионное число – например, глюболы, образуемые только глюонами без кварков. Все подобные объекты могут существенно пополнить наши знания о природе фундаментальных взаимодействий и способствовать дальнейшему развитию физики микромира.
Мезон
Мезо́н (от др.-греч. μέσος — средний) — бозон сильного взаимодействия. В Стандартной модели, мезоны — это составные (не-элементарные) частицы, состоящие из чётного числа кварков и антикварков. К мезонам относятся пионы (π-мезоны), каоны (K-мезоны) и многие другие более тяжёлые мезоны. Первоначально мезоны были предсказаны как частицы, переносящие силы, которые связывают протоны и нейтроны.
Бо́льшая часть массы мезона происходит из энергии связи, а не из суммы масс составляющих его частиц.
Все мезоны нестабильны.
Содержание
Предсказание и обнаружение
В 1935 году японский физик Х. Юкава построил первую количественную теорию взаимодействия нуклонов, происходящего посредством обмена новыми частицами, которые сейчас известны как пи-мезоны (или пионы). Впоследствии за эту свою работу Х. Юкава был награждён Нобелевской премией по физике.
Первоначально термин «мезон» имел смысл «средний по массе», поэтому первым в разряд мезонов попал (из-за его подходящей массы) обнаруженный в конце 1930-х годов мюон, который назвали μ-мезоном. Однако в конце 1940-х было установлено, что мюон не подвержен сильному взаимодействию и относится, как и электрон, к классу лептонов (поэтому и название μ-мезон является неправильным).
Пион был первым экспериментально открытым (1947) настоящим мезоном.
До открытия [как?] тетракварков считалось, что все известные мезоны состоят из пары кварк-антикварк (т. н. валентных кварков) и из «моря» виртуальных кварк-антикварковых пар и виртуальных глюонов. Валентные кварки могут существовать в виде суперпозиции состояний с разным ароматом; например нейтральный пион не является ни парой 
, ни парой 
кварков, а представляет собой суперпозицию обоих.
Псевдоскалярные мезоны (спин=0) имеют минимальную энергию покоя, так как в них кварк и антикварк имеют антипараллельные спины, после них идут векторные мезоны (спин=1) в которых спины кварков параллельны. Оба типа встречаются в более высоких энергетических состояниях, в которых спин складывается с орбитальным (угловым) моментом (сегодняшняя картина внутриядерных сил довольно сложна, для детального ознакомления с ролью мезонов см. Современное состояние теории сильных взаимодействий).
Номенклатура мезонов
Имя мезона образуется так, чтобы оно определяло его основные свойства. Соответственно, по заданным свойствам мезона можно однозначно определить его наименование. Способы именования разделяются на две категории, в зависимости от того, имеет мезон «аромат» или нет.
Мезоны без аромата
Мезоны без аромата — это такие мезоны, все квантовые числа ароматов которых равны нулю. Это означает, что эти мезоны являются состояниями кваркония (пар кварк-антикварк одинакового аромата) или линейными комбинациями таких состояний.
Возможные комбинации и соответствующие обозначения мезонов даны в таблице:
Поскольку некоторые из символов могут указывать на более чем одну частицу, есть дополнительные правила:
Мезоны с ароматом
Для мезонов с ароматом схема названий немного проще.
Подводя итог, получим:
Иногда частицы могут смешиваться. Например нейтральный каон 
и его античастица 
могут входить в симметричную или антисимметричную комбинацию, приводя к двум частицам — короткоживущему и долгоживущему нейтральным каонам 
.
Мезонная энергия что это
Мезоны
Mesons
Мезоны − связанные состояния кварка и антикварка. Мезоны имеют барионное число B = 0 и целый (в том числе и нулевой) спин, т. е. являются бозонами. Массы и квантовые числа мезонов определяются типами кварка и антикварка, входящих в состав мезона, их радиальными квантовыми числами, взаимной ориентацией их спинов, значениями изоспинов и орбитальных моментов.
Кварковая модель позволяет качественно описать структуру мезонов, получить их квантовые числа. Особое место занимают мезоны для которых можно количественно рассчитать спектры масс. Это семейства мезонов, состоящие из тяжелых кварков − чармоний (c) и боттомоний (b). Спектры их подобны спектрам водородоподобных атомов. Изучение спектров кваркониев позволяет получить важную информацию о природе сильного взаимодействия.
На рисунке показана система уровней чармония и переходы между ними. Характерный масштаб возбуждения составляет сотни МэВ, что существенно меньше массы с-кварка. Поэтому можно воспользоваться тем, что движение нерелятивистское и для описания кваркония использовать уравнение Шредингера. В таком подходе кварконий можно рассматривать как систему двух кварков, движущихся в потенциале V(r). Состояния кваркония и волновые функции определяются как решения станционарного уравнения Шредингера.
Система уровней чармония и переходы между ними
1/r. Поскольку кварки не наблюдаются в свободном состоянии, потенциал должен их эффективно “запирать” на расстояниях масштаба радиуса адрона ≈ т.е. на больших расстояниях потенциал должен расти (V(r)
r). Удовлетворяющий требуемым условиям потенциал имеет вид
,
Пи-мезоны
Полезное
Смотреть что такое «Пи-мезоны» в других словарях:
МЕЗОНЫ СО СКРЫТЫМ ОЧАРОВАНИЕМ — (чармоний), семейство тяжёлых адронов, состоящих из «очарованных» кварка (с) и антикварка (с=). Назв. связано с тем, что квант. число «очарование» у с и с противоположны, так что суммарное «очарование» равно нулю. Второе назв. «чармоний» ч цам… … Физическая энциклопедия
МЕЗОНЫ — нестабильные элементарные частицы с нулевым или целым спином, принадлежащие к классу адронов и не имеющие барионного заряда. К мезонам относятся пи мезоны, К мезоны, многие резонансы; обнаружены мезоны с очарованием и красотой … Большой Энциклопедический словарь
МЕЗОНЫ — МЕЗОНЫ, ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ, принадлежащие к подгруппе АДРОНОВ, имеющие нулевой или целый спин. Мезоны включают пионы, каоны и эта мезоны. Мезоны в неограниченном количестве могут производится либо разрушаться при ядерных реакциях или… … Научно-технический энциклопедический словарь
МЕЗОНЫ — нестабильные фундаментальные (составные) (см.), относящиеся к классу (см.), обладающие нулевым или целым (см.) и участвующие в сильном, слабом и электромагнитном взаимодействиях. Гипотетически все М. могут быть построены из двух (см.) (кварка и… … Большая политехническая энциклопедия
МЕЗОНЫ — нестабильные элем. частицы, принадлежащие к классу адронов; в отличие от барионов, М. не имеют барионного заряда и обладают нулевым или целочисленным спином (явл. бозонами). Назв. «М.» (от греч. mesos средний, промежуточный) связано с тем, что… … Физическая энциклопедия
Мезоны — Мезон (от др. греч. μέσος средний) это сильно взаимодействующий бозон. В стандартной модели, мезоны это составные (не элементарные) частицы, состоящие из четного числа кварков и антикварков. До открытия тетракварков считалось, что все известные… … Википедия
мезоны — нестабильные элементарные частицы с нулевым или целым спином, принадлежащие к классу адронов и не имеющие барионного заряда. К мезонам относятся пи мезоны, K мезоны, многие резонансы; обнаружены мезоны с «очарованием» и «красотой». * * * МЕЗОНЫ… … Энциклопедический словарь
Мезоны — (от мезо) нестабильные элементарные частицы с нулевым или целым спином, принадлежащие к классу адронов. К мезонам относят пи мезоны, К мезоны, многие так называемые резонансы, а также мезоны кваркового типа … Начала современного естествознания
Мезоны — нестабильные элементарные частицы, принадлежащие к классу сильно взаимодействующих частиц (адронов); в отличие от барионов (См. Барионы) М. не имеют барионного заряда (См. Барионный заряд) и обладают нулевым или целочисленным спином… … Большая советская энциклопедия
Мезоны — нестабильные элементарные частицы, относящиеся к адронам и обладающие нулевым или целым спином, но не имеющие барионного заряда. К М. относятся К мезоны, пи мезоны и некоторые резонансы. Являются переносчиками ядерных сил … Астрономический словарь
МЕЗОНЫ — (от греч. mesos средний, промежуточный) нестабильные элементарные частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Назв. М. связано с тем, что у первых открытых М. я мезонов (пионов) и К мезонов (каонов) значения массы, примерно равной для пионов… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Мезон
СОДЕРЖАНИЕ
История [ править ]
Обзор [ править ]
Спин, орбитальный угловой момент и полный угловой момент [ править ]
Для мезонов четность связана с орбитальным угловым моментом соотношением [11]
Как следствие, все мезоны без орбитального углового момента ( L = 0) имеют нечетную четность ( P = −1).
C-четность [ править ]
C- четность определена только для мезонов, которые являются их собственными античастицами (т.е. нейтральные мезоны). Он показывает, остается ли волновая функция мезона той же самой при обмене их кварком с их антикварком. [12] Если
| q q ¯ ⟩ знак равно | q ¯ q ⟩ <\ displaystyle | q <\ bar > \ rangle = | <\ bar
> q \ rangle>
тогда мезон » C четный» ( C = +1). С другой стороны, если
тогда мезон является « C нечетным» ( C = −1).
тогда мезон является « четным G » ( G = +1). С другой стороны, если
тогда мезон является « G нечетным» ( G = −1).
Изоспин и заряд [ править ]
Исходная модель изоспина [ править ]
Замена кварковой моделью [ править ]
После того, как кварковая модель была принята, физики отметили, что проекции изоспина связаны с верхним и нижним кварковым содержанием частиц соотношением
В «изоспиновой картине» три пиона и три rhos считались разными состояниями двух частиц. Однако в кварковой модели rhos представляют собой возбужденные состояния пионов. Изоспин, хотя и передает неточную картину вещей, по-прежнему используется для классификации адронов, что приводит к неестественной и часто сбивающей с толку номенклатуре.
Квантовые числа вкуса [ править ]
Это означает, что формула Гелл-Манна-Нисидзима эквивалентна выражению заряда через кварковое содержание:
Классификация [ править ]
Мезоны классифицируются на группы в соответствии с их изоспином ( I ), полным угловым моментом ( J ), четностью ( P ), G-четностью ( G ) или C-четностью ( C ), когда это применимо, и содержанием кварка (q). Правила классификации определены Группой данных о частицах и довольно запутаны. [21] Правила представлены ниже в табличной форме для простоты.
Типы мезонов [ править ]
Мезоны подразделяются на типы в зависимости от их спиновых конфигураций. Некоторым конкретным конфигурациям даны специальные имена, основанные на математических свойствах их спиновой конфигурации.
Номенклатура [ править ]
Мезоны без запаха [ править ]
Ароматизированные мезоны [ править ]
| Кварк | Антикварк | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| вверх | вниз | очарование | странный | верх | Нижний | |
| вверх | — | [A] | D0 | K+ | Т0 | B+ |
| вниз | [A] | — | D- | K0 | Т- | B0 |
| очарование | D0 | D+ | — | D+ с | Т0 c | B+ c |
| странный | K- | K0 | D- с | — | Т- с | B0 с |
| верх | Т0 | Т+ | Т0 c | Т+ с | — | Т+ b |
| Нижний | B- | B0 | B- с | B0 с | Т- б | — |
Экзотические мезоны [ править ]
Список [ править ]
Псевдоскалярные мезоны [ править ]
π+ + π0 или же
π0 + е+ + νе или же
π+ + π0
Векторные мезоны [ править ]
4,5 × 10 −24 [f] [г]
[f] ^ PDG сообщает ширину резонанса (Γ). При этом преобразование τ = ħ / Γ дается вместо этого.
[g] ^ Точное значение зависит от используемого метода. См. Данную ссылку для подробностей.
Заметки о нейтральных каонах [ править ]
С нейтральными каонами есть две сложности : [13]
Обратите внимание, что эти проблемы в принципе существуют и для других нейтральных ароматизированных мезонов; однако слабые собственные состояния считаются отдельными частицами только для каонов из-за их резко различающихся времен жизни. [13]