Что такое мезоны кратко
Обновлено: 16.06.2024
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
Для описания спектроскопии кваркония удалось найти простой потенциал V(r). На малых расстояниях (r -13 см) потенциал, аналогично кулоновскому, имеет вид V(r) ~ 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
где α, β, δ- константы. Константы удалось подобрать так, что потенциал одновременно хорошо описывает спектры масс как , так и
История открытия
Вам будет интересно: Вузы Абакана: список, обзор ведущих учреждений
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.
Структура мезонов
Вам будет интересно: Что такое подчеревок и как правильно его приготовить
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
Сочетание кварка и антикварка одного аромата принято именовать кварконием. Данный термин, как правило, применяется к мезонам, в составе которых есть массивные c- и b-кварки. Чрезвычайно тяжелый t-кварк вообще не успевает вступить в связанное состояние, мгновенно распадаясь на более легкие. Сочетание cc̄ называется чармонием, или частицей со скрытым очарованием (J/ψ-мезон); сочетание bb̄ - боттомонием, которому присуща скрытая прелесть (Υ-мезон). Оба характеризуются наличием множества резонансных – возбужденных – состояний.
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:
- псевдоскалярные – наиболее легкие (S = 0, P = -1);
- векторные (S = 1, P = -1);
- скалярные (S = 0, P = 1);
- псевдовекторные (S = 1, P = 1).
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.
Значение изоспина вычисляется по формуле I = (N–1)/2, где N – количество частиц в мультиплете. Так, изоспин пиона равен 1, а его проекции Iz в особом зарядовом пространстве равны соответственно +1, 0 и -1. Четверка странных мезонов – каонов – образует два изодублета: K+ и K0 с изоспином +½ и странностью +1 и дублет античастиц K- и K̄0, у которых эти величины отрицательны.
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.
- Мезо́н (от др.-греч. μέσος ‘средний’) — бозон, способный участвовать в сильном взаимодействии и имеющий нулевое значение барионного числа. В Стандартной модели мезоны — это составные элементарные частицы, состоящие из равного числа кварков и антикварков. К мезонам относятся пионы (π-мезоны), каоны (K-мезоны) и другие, более тяжёлые, мезоны.
Первоначально мезоны были предсказаны как частицы, являющиеся переносчиками сильного взаимодействия и отвечающие за удержание протонов и нейтронов в атомных ядрах.
мезо́н
1. физ. нестабильная субатомная частица, адрон с целым спином ◆ Мезоны вместе с барионами составляют семейство адронов — сильно взаимодействующих частиц.
Делаем Карту слов лучше вместе
Привет! Меня зовут Лампобот, я компьютерная программа, которая помогает делать Карту слов. Я отлично умею считать, но пока плохо понимаю, как устроен ваш мир. Помоги мне разобраться!
Спасибо! Я обязательно научусь отличать широко распространённые слова от узкоспециальных.
Насколько понятно значение слова экспансивный (прилагательное):
Адронами называют частицы, участвующие в сильном взаимодействии. Все адроны — составные частицы, они состоят из кварков или антикварков. Мезоны — это адроны, состоящие из кварк-антикварковой пары, барионы — это адроны, состоящие из трех кварков (соответственно, антибарионы состоят их трех антикварков).
И уже в этом определении, таком простом и коротком, скрыто несколько тонкостей, про которые можно говорить очень долго. Мы пускаться в эти разговоры не будем, а упомянем только три самых важных момента.
Составные кипричики
Обычно, когда говорят, что какой-то предмет состоит из частей, то предполагают, что эти части можно, по крайней мере в принципе, отделить друг от друга и предъявить каждую из них по отдельности. Для кварков это предположение не работает. Да, это не очень интуитивное свойство, его трудно совместить с повседневным опытом, но дела в кварковом мире обстоят именно так.
Конечно, это всё — очень упрощенное описание; реальное положение дел гораздо сложнее. Более того, явление конфайнмента до сих пор не понято на достаточном уровне математической строгости. Математический институт Клэя даже назначил премию в миллион долларов за решение этой задачи. Однако на описательном уровне явление конфайнмента считается установленным.
Наивная кварковая модель
Описанная выше схема, по которой кварки группируются по двое и по трое и становятся бесцветными адронами, называется наивной кварковой моделью. Эта модель не объясняет, почему все адроны объединяются только по двое и по трое. Можно построить и другие бесцветные комбинации кварков и антикварков, создать многокварковые адроны, но они почему-то на опыте не встречаются.
А точнее, они не встречались до недавнего момента. Начиная с середины 2000-х годов стали появляться надежные экспериментальные данные, что некоторые адроны не вписываются в простую схему наивной кварковой модели. Такие адроны называются экзотическими. Правда, количество известных на сегодня экзотических адронов очень невелико, всего несколько штук против нескольких сотен обычных адронов — и причем все они мезоны; подтвержденных данных по пентакваркам и другим экзотическим барионам пока нет.
Получается, что природа всё же выходит за рамки простейшей схемы, но очень уж неохотно. Почему так происходит и что вообще представляют из себя экзотические адроны, пока что остается предметом активных исследований.
Состав — понятие относительное!
Получается, что состав протона — вещь не абсолютная, а зависит от системы отсчета, то есть от того, как мы на протон посмотрим. Это явление квантового мира тоже может показаться противоречащим повседневной интуиции, но что ж поделать, именно так и получается в квантовом мире. Подробнее об этом свойстве читайте в статье Многоликий протон и в заметке Как выглядит ультрарелятивистский протон.
Кварки и их свойства
Сейчас известно шесть сортов (на физическом жаргоне — ароматов) кварков. Они обозначаются буквами u, d, s, c, b, t и попарно объединяются в три поколения кварков (рис. 3). Из них только первые пять участвуют в образовании адронов. Топ-кварк t настолько тяжел, что распадается исключительно быстро и попросту не успевает образовать адроны. Известно также, что других кварков не существует; по крайней мере, не существует других легких кварков, которые могли бы образовывать настоящие адроны.
Классификация адронов
Общепринятые обозначения
Адроны могут содержать любые комбинации этих пяти кварков, которые, к тому же, могут еще и по-разному двигаться друг вокруг друга наподобие того, как электроны могут по-разному двигаться вокруг ядра. Поэтому даже из небольшого числа кварков можно, в принципе, составить неограниченное количество адронов. Конечно, как открыть их эксприментально — это отдельный вопрос.
Диаграммы
Свойства кварков позволяют удобно распределять семейства адронов в узлах тетраэдральной решетки. На рис. 4 даны схемы этих решеток для барионов со спином 1/2 или 3/2, составленных их первых четырех кварков. Каждое пространственное направление здесь отвечает какому-то аромату кварков: двигаясь слева направо, вы добавляете u-кварки, двигаясь от заднего фона рисунка к переднему — странные кварки, двигаясь вверх — очарованные кварки. По такому же принципу можно добавлять и прелестные кварки, но только тетраэдр при этом получится уже четырехмерный.
Рис. 4. Схема барионов со спином 1/2 (слева) или 3/2 (справа), составленных их первых четырех кварков. Quark model (PDF, 828 Кб)
Аналогичная диаграмма для мезонов, состоящих из первых четырех кварков, приведена на рис. 5.
Рис. 5. Схема мезонов со спином 0 (слева) и 1 (справа), составленных из первых четырех кварков. Изображение из обзора Quark model (PDF, 828 Кб)
На сайте things made thinkable та же тетраэдральная структура, уже с учетом прелестного кварка, приведена в виде плоских интерактивных схем (рис. 6): схема мезонов и схема барионов. При наведении мышкой на разные свойства адронов схема заполняется соответствующими числами, как на уровне самих адронов, так и для отдельных кварков.
Рис. 6. Фрагмент интерактивной схемы адронов с участием всех пяти кварков с сайта Things made thinkable
Что касается кваркониев, то их кварковая структура понятна, но зато состояний тут может быть очень много, и интерес представляет то, как эти состояния расположены относительно друг друга по массе. На рис. 7 приведены массовые спектры чармония и боттомония.
Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1983 .
- адроны, не обладающие барионным числом и имеющие целочисленный спин.Как у всех адронов, лептонные числаM. равны нулю. Назв. "М." происходит от греч. слова mesos - средний, промежуточный; исторически это связано с тем, что масса первых из обнаруженных M.- пи-мезонов- оказалась промежуточной по величине между массами электрона и протона. В дальнейшем выяснилось, что такое значение массы не является отличит, признаком M. (масса M. может быть во много раз больше массы протона т р).
По совр. представлениям, M.- сложные системы, построенные (в осн.) из пары частиц со спином 1 /2 - кварка и антикварка, вообще говоря, различных по своей природе, и небольшой примеси глюонов. В редких случаях M. могут быть построены из неск. кварк-антикварковых пар (двух и более). Согласно предсказаниям квантовой хромодинамики, могут существовать также M., построенные из глюонов. Такие M. наз. глю болами или глюониями. Благодаря квантовым переходам глюболы должны содержать примесь кварк-антикварковых состояний.
Типы кварка и антикварка, входящих в пару, образующую M., взаимная ориентация спинов пары, а также характеристики их относит, движения целиком определяют все квантовые числа и характерные массы M. Так, спин M. равен - орбитальный момент и суммарный спин пары чётность P зарядовая чётность (для истинно нейтральных M.) .В настоящее время известны шесть типов кварков: (и соответствующих антикварков), причём
M., построенные из и и (или из и d), образуют семейство обычных M.; к ним относятся, в частности, . Их массы, как правило, меньше массы протона. Если в обычных M. или заменить на , , или , то возникают семейства соответственно странных, очарованных, красивых (прелестных), истинных M. Причём по мере увеличения массы кварков, определяющих тип семейства M., нарастают ср. массы соответствующих мезонных семейств. Так, массы странных M. в ср. больше масс обычных M., массы очарованных М.- больше масс странных M. и т. д. Массы очарованных M. составляют уже ок. 2 т р, прелестных - ок. 5mp, истинных М.- ок. 50 m р. Комбинации образуют M. соответственно со скрытой странностью, очарованием, красотой, истинностью, в ряде отношений отличающиеся от обычных M. (см. Кварконий). Возможны также гибридные комбинации кварков-антикварков и т. п., порождающие странно-очарованные, странно-прелестные, очарованно-прелестные и др. M.
Все М.- нестабильные частицы, распадающиеся либо на совокупность более лёгких M., либо на более лёгкий M. и лептонную пару, либо (обычные M.) - на лептонную пару или (нейтральные) на два g-кванта.
Табл. M. и их кварковый состав см. в ст. Элементарные частицы. А.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .
Читайте также: