Entro la metà del 20° secolo, il concetto di "zoo di particelle" è apparso in fisica, indicando una varietà di costituenti elementari della materia, che gli scienziati hanno incontrato dopo la creazione di acceleratori sufficientemente potenti. Uno degli abitanti più numerosi dello "zoo" erano oggetti chiamati mesoni. Questa famiglia di particelle, insieme ai barioni, è inclusa nel grande gruppo degli adroni. Il loro studio ha permesso di penetrare a un livello più profondo della struttura della materia e ha contribuito a ordinare la conoscenza su di essa nella moderna teoria delle particelle e interazioni fondamentali - il Modello Standard.
Cronologia delle scoperte
All'inizio degli anni '30, dopo che la composizione del nucleo atomico fu chiarita, sorse la domanda sulla natura delle forze che ne assicuravano l'esistenza. Era chiaro che l'interazione che lega i nucleoni doveva essere estremamente intensa e realizzata attraverso lo scambio di determinate particelle. I calcoli eseguiti nel 1934 dal teorico giapponese H. Yukawa hanno mostrato che questi oggetti sono 200-300 volte più grandi dell'elettrone in massa e,rispettivamente, parecchie volte inferiore al protone. Successivamente ricevettero il nome di mesoni, che in greco significa "mezzo". Tuttavia, il loro primo rilevamento diretto si è rivelato essere una "mancata accensione" a causa della vicinanza di masse di particelle molto diverse.
Nel 1936, oggetti (chiamati mu-mesoni) con una massa corrispondente ai calcoli di Yukawa furono scoperti nei raggi cosmici. Sembrava che il quanto ricercato delle forze nucleari fosse stato trovato. Ma poi si è scoperto che i mesoni mu sono particelle che non sono correlate alle interazioni di scambio tra nucleoni. Loro, insieme all'elettrone e al neutrino, appartengono a un' altra classe di oggetti nel microcosmo: i leptoni. Le particelle furono rinominate muoni e la ricerca continuò.
Yukawa quanti furono scoperti solo nel 1947 e furono chiamati "pi-mesoni", o pioni. Si è scoperto che un mesone pi elettricamente carico o neutro è effettivamente la particella il cui scambio consente ai nucleoni di coesistere nel nucleo.
Struttura del mesone
Divenne subito chiaro: le peonie arrivavano allo “zoo delle particelle” non da sole, ma con numerosi parenti. Tuttavia, è stato grazie al numero e alla varietà di queste particelle che è stato possibile stabilire che si tratta di combinazioni di un piccolo numero di oggetti fondamentali. I quark si sono rivelati tali elementi strutturali.
Il mesone è uno stato legato di un quark e di un antiquark (la connessione avviene per mezzo di quanti di interazione forte - gluoni). La carica "forte" di un quark è un numero quantico, convenzionalmente chiamato "colore". Tuttavia, tutti gli adronie tra loro i mesoni sono incolori. Cosa significa? Un mesone può essere formato da un quark e un antiquark di diversi tipi (o, come si suol dire, aromi, “sapori”), ma unisce sempre colore e anticolore. Ad esempio, π+-mesone è formato da una coppia di u-quark - anti-d-quark (ud̄), e la combinazione delle loro cariche di colore può essere "blu - anti- blu", "rosso - antirosso" o verde-antiverde. Lo scambio di gluoni cambia il colore dei quark, mentre il mesone rimane incolore.
Quark di generazioni precedenti, come s, c e b, conferiscono ai mesoni che formano i sapori corrispondenti: stranezza, fascino e fascino, espressi dai loro numeri quantici. La carica elettrica intera del mesone è costituita dalle cariche frazionarie delle particelle e dalle antiparticelle che lo compongono. Oltre a questa coppia, chiamata quark di valenza, il mesone include molte coppie virtuali ("mare") e gluoni.
Mesoni e forze fondamentali
I mesoni, o meglio i quark che li compongono, partecipano a tutti i tipi di interazione descritti dal Modello Standard. L'intensità dell'interazione è direttamente correlata alla simmetria delle reazioni da essa provocate, cioè alla conservazione di determinate quantità.
I processi deboli sono i meno intensi, conservano energia, carica elettrica, quantità di moto, momento angolare (spin) – in altre parole, agiscono solo le simmetrie universali. Nell'interazione elettromagnetica, vengono conservati anche i numeri quantici di parità e sapore dei mesoni. Questi sono i processi che giocano un ruolo importante nelle reazionidecadimento.
L'interazione forte è la più simmetrica, preservando altre quantità, in particolare l'isospin. È responsabile della ritenzione dei nucleoni nel nucleo attraverso lo scambio ionico. Emettendo e assorbendo pi-mesoni carichi, il protone e il neutrone subiscono trasformazioni reciproche e, durante lo scambio di una particella neutra, ciascuno dei nucleoni rimane se stesso. Come questo può essere rappresentato a livello di quark è mostrato nella figura seguente.
L'interazione forte governa anche la dispersione dei mesoni da parte dei nucleoni, la loro produzione nelle collisioni di adroni e altri processi.
Cos'è il quarkonium
La combinazione di un quark e un antiquark dello stesso sapore è chiamata quarkonia. Questo termine viene solitamente applicato ai mesoni che contengono massicci c- e b-quark. Un quark t estremamente pesante non ha il tempo di entrare in uno stato legato, decadendo istantaneamente in uno più leggero. La combinazione cc̄ è chiamata charmonium, ovvero particella dal fascino nascosto (J/ψ-meson); la combinazione bb̄ è bottomonium, che ha un fascino nascosto (Υ-meson). Entrambi sono caratterizzati dalla presenza di molti stati risonanti - eccitati.
Le particelle formate da componenti leggeri - uū, dd̄ o ss̄ - sono una sovrapposizione (sovrapposizione) di sapori, poiché le masse di questi quark hanno un valore vicino. Pertanto, il mesone neutro π0 è una sovrapposizione degli stati uū e dd̄, che hanno lo stesso insieme di numeri quantici.
Instabilità del mesone
La combinazione di particella e antiparticella risultache la vita di ogni mesone finisce nel loro annientamento. La durata dipende da quale interazione controlla il decadimento.
- I mesoni che decadono attraverso il canale dell'annientamento "forte", diciamo, in gluoni con la successiva nascita di nuovi mesoni, non vivono molto a lungo - 10-20 - 10 - 21 pag. Un esempio di tali particelle è la quarkonia.
- Anche l'annichilazione elettromagnetica è piuttosto intensa: la vita del mesone π0, la cui coppia quark-antiquark si annichila in due fotoni con una probabilità di quasi il 99%, è di circa 8 ∙ 10 -17 s.
- Debole annientamento (decadimento in leptoni) procede con molta meno intensità. Quindi, un pione carico (π+ – ud̄ – o π- – dū) vive abbastanza a lungo – in media 2,6 ∙ 10-8 se di solito decade in un muone e un neutrino (o le corrispondenti antiparticelle).
La maggior parte dei mesoni sono le cosiddette risonanze adroni, fenomeni di breve durata (10-22 – 10-24 c) che si verificano in determinati intervalli di alta energia, simili agli stati eccitati dell'atomo. Non sono registrati sui rivelatori, ma sono calcolati in base al bilancio energetico della reazione.
Spin, momento orbitale e parità
A differenza dei barioni, i mesoni sono particelle elementari con un valore intero del numero di spin (0 o 1), cioè sono bosoni. I quark sono fermioni e hanno spin semiintero ½. Se i momenti di quantità di moto di un quark e di un antiquark sono paralleli, allora il lorola somma - spin del mesone - è uguale a 1, se antiparallela sarà uguale a zero.
A causa della circolazione reciproca di una coppia di componenti, il mesone ha anche un numero quantico orbitale, che contribuisce alla sua massa. Il momento orbitale e lo spin determinano il momento angolare totale della particella, associato al concetto di parità spaziale o P (una certa simmetria della funzione d'onda rispetto all'inversione dello specchio). In accordo con la combinazione di spin S e parità P interna (relativa al sistema di riferimento della particella), si distinguono i seguenti tipi di mesoni:
- pseudoscalare - il più leggero (S=0, P=-1);
- vettore (S=1, P=-1);
- scalare (S=0, P=1);
- pseudo-vettore (S=1, P=1).
Gli ultimi tre tipi sono mesoni molto massicci, che sono stati ad alta energia.
Simmetrie isotopiche e unitarie
Per la classificazione dei mesoni è conveniente usare un numero quantico speciale - spin isotopico. Nei processi forti, le particelle con lo stesso valore di isospin partecipano simmetricamente, indipendentemente dalla loro carica elettrica, e possono essere rappresentate come diversi stati di carica (proiezioni di isospin) di un oggetto. Un insieme di tali particelle, che hanno una massa molto vicina, è chiamato isomultipleto. Ad esempio, l'isotripletto pione include tre stati: π+, π0 e π--mesone.
Il valore di isospin è calcolato con la formula I=(N–1)/2, dove N è il numero di particelle nel multipletto. Quindi, l'isospin di un pione è uguale a 1, e le sue proiezioni Iz in una carica specialelo spazio sono rispettivamente +1, 0 e -1. I quattro mesoni strani - kaoni - formano due isodoppietti: K+ e K0 con isospin +½ e stranezza +1 e il doppietto di antiparticelle K- e K̄0, per i quali questi valori sono negativi.
La carica elettrica degli adroni (inclusi i mesoni) Q è correlata alla proiezione dell'isospin Iz e alla cosiddetta ipercarica Y (la somma del numero barionico e di tutti gli aromi numeri). Questa relazione è espressa dalla formula di Nishijima-Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. È chiaro che tutti i membri di un multiplet hanno la stessa ipercarica. Il numero barionico dei mesoni è zero.
Quindi, i mesoni vengono raggruppati con ulteriore rotazione e parità in supermultipli. Otto mesoni pseudoscalari formano un ottetto, le particelle vettoriali formano un nonetto (nove) e così via. Questa è una manifestazione di una simmetria di livello superiore chiamata unitaria.
Mesoni e la ricerca di Nuova Fisica
Attualmente i fisici sono attivamente alla ricerca di fenomeni la cui descrizione porterebbe all'espansione del Modello Standard e ad andare oltre con la costruzione di una teoria più profonda e generale del micromondo: la Nuova Fisica. Si presume che il modello standard lo inserirà come un caso limitante a bassa energia. In questa ricerca, lo studio dei mesoni gioca un ruolo importante.
Di particolare interesse sono i mesoni esotici - particelle con una struttura che non rientra nella struttura del modello usuale. Quindi, al Large HadronCollider nel 2014 ha confermato il tetraquark Z(4430), uno stato legato di due coppie ud̄cc̄ quark-antiquark, un prodotto di decadimento intermedio del bellissimo mesone B. Questi decadimenti sono interessanti anche in termini di possibile scoperta di una ipotetica nuova classe di particelle: i leptoquarks.
I modelli prevedono anche altri stati esotici che dovrebbero essere classificati come mesoni, dal momento che partecipano a processi forti, ma hanno numero barionico zero, come le glueball, formate solo da gluoni senza quark. Tutti questi oggetti possono ricostituire in modo significativo la nostra conoscenza della natura delle interazioni fondamentali e contribuire all'ulteriore sviluppo della fisica del micromondo.
