Мезоны: Субатомные частицы, состоящие из кварков и антикварков.

Введение

Субатомная частица, состоящая из равного числа кварков и антикварков.

В физике частиц мезон (/m/iː//z//ɒ//n//, /'/m//ɛ//z//ɒ//n/) – это тип адронной субатомной частицы, состоящей из равного числа кварков и антикварков, обычно по одному из каждого, связанных между собой сильным взаимодействием. Поскольку мезоны состоят из кварковых субчастиц, они обладают значительным физическим размером, диаметром примерно в один фемтометр (10⁻¹⁵ м), что составляет около 0,6 размера протона или нейтрона. Все мезоны нестабильны, причём самый долгоживущий существует лишь несколько десятых наносекунды. Более тяжёлые мезоны распадаются на более лёгкие мезоны и, в конечном итоге, на стабильные электроны, нейтрино и фотоны. За пределами ядра мезоны в природе встречаются только как кратковременные продукты столкновений очень высоких энергий между частицами, состоящими из кварков, таких как космические лучи (протоны и нейтроны высокой энергии) и барионная материя. Мезоны обычно искусственно производятся в циклотронах или других ускорителях частиц при столкновениях протонов, антипротонов или других частиц. Высокоэнергетические (более массивные) мезоны возникали в момент Большого взрыва, но не считаются играющими роли в современной природе. Однако такие тяжёлые мезоны регулярно создаются в экспериментах на ускорителях частиц, исследующих природу более тяжёлых кварков, составляющих эти мезоны. Мезоны входят в семейство адронных частиц, определяемых как частицы, состоящие из двух или более кварков. Другие члены этого семейства – барионы: субатомные частицы, состоящие из нечётного числа валентных кварков (как минимум трёх), а некоторые эксперименты указывают на существование экзотических мезонов, которые не имеют обычного состава из двух кварков (одного кварка и одного антикварка), а состоят из четырёх или более. Поскольку кварки обладают спином, различие в количестве кварков между мезонами и барионами приводит к тому, что обычные двухкварковые мезоны являются бозонами, а барионы – фермионами. Каждый тип мезона имеет соответствующую античастицу (антимезон), в которой кварки заменены их антикварками и наоборот. Например, положительный пион состоит из одного верхнего кварка и одного нижнего антикварка, а его античастица, отрицательный пион, – из одного верхнего антикварка и одного нижнего кварка. Поскольку мезоны состоят из кварков, они участвуют как в слабом, так и в сильном взаимодействиях. Мезоны с ненулевым электрическим зарядом также участвуют в электромагнитном взаимодействии. Мезоны классифицируются по составу кварков, полному угловому моменту, чётности и различным другим свойствам, таким как C-чётность и G-чётность. Хотя ни один мезон не является стабильным, мезоны с меньшей массой более стабильны, чем более массивные, и поэтому их легче наблюдать и изучать в ускорителях частиц или в экспериментах с космическими лучами. Самая лёгкая группа мезонов менее массивна, чем самая лёгкая группа барионов, что облегчает их производство в экспериментах и позволяет им легче проявлять определённые явления с более высокой энергией, чем барионы. Однако мезоны могут быть довольно массивными: например, J/ψ-мезон, содержащий c-кварк, впервые обнаруженный в 1974 году, предсказал существование и приблизительную массу "мезона" как переносчика ядерной силы, удерживающей атомные ядра вместе. Если бы не было ядерной силы, все ядра с двумя или более протонами разлетелись бы из-за электромагнитного отталкивания. Юкава назвал свою переносную частицу мезоном, от греческого слова μέσος (mesos), означающего "промежуточный", поскольку её предсказанная масса находилась между массой электрона и массой протона, которая примерно в 1836 раз превышает массу электрона. Юкава или Карл Дэвид Андерсон, открывший мюон, первоначально назвали частицу "мезотроном", но их поправил физик Вернер Гейзенберг (чей отец был профессором греческого языка в Мюнхенском университете). Гейзенберг указал, что в греческом слове "mesos" нет буквы "tr". Первым кандидатом на роль мезона Юкавы, в современной терминологии известным как мюон, был обнаружен в 1936 году Карлом Дэвидом Андерсоном и другими в продуктах распада космических лучей. "Мю-мезон" имел примерно нужную массу, чтобы быть переносчиком сильного ядерного взаимодействия Юкавы, но в течение следующего десятилетия стало ясно, что это не та частица. В конечном итоге было установлено, что "мю-мезон" вообще не участвует в сильном ядерном взаимодействии, а скорее ведёт себя как тяжёлая версия электрона и был классифицирован как лептон, подобно электрону, а не мезон. Физики решили, что свойства, отличные от массы частицы, должны определять их классификацию. Во время Второй мировой войны (1939–1945) исследования субатомных частиц были приостановлены, поскольку большинство физиков работали над прикладными проектами для военных нужд. После окончания войны в августе 1945 года многие физики постепенно вернулись к мирным исследованиям. Первым настоящим мезоном, который был обнаружен, был так называемый "пи-мезон" (или пион). В период с 1939 по 1942 год Девендра Мохан Бозе и Бибха Чоудхури подвергали пластины Ilford half tone фотоэмульсии воздействию на больших высотах в горных районах Дарджилинга и наблюдали длинные изогнутые ионизирующие треки, которые отличались от треков альфа-частиц или протонов. В серии статей, опубликованных в журнале Nature, они идентифицировали космическую частицу, имеющую среднюю массу, близкую к 200 массам электрона. Это открытие было сделано в 1947 году с использованием улучшенных пластин фотоэмульсии full tone Сесилом Пауэллом, Хью Мюрхедом, Сезаром Латтесом и Джузеппе Оккьялини, которые исследовали продукты космических лучей в Бристольском университете в Англии, на основе фотоплёнок, размещённых в Андах. Некоторые из этих мезонов имели массу, примерно равную массе уже известного мю-"мезона", но, казалось, распадались на него, что привело физика Роберта Маршака к гипотезе в 1947 году о том, что это на самом деле новый и отличный мезон. В течение следующих нескольких лет дальнейшие эксперименты показали, что пион действительно участвует в сильных взаимодействиях. Пион (как виртуальная частица) также используется в качестве переносчика силы для моделирования ядерной силы в атомных ядрах (между протонами и нейтронами). Это приближение, поскольку фактическим переносчиком сильного взаимодействия считается глюон, который явно используется для моделирования сильного взаимодействия между кварками. Другие мезоны, такие как виртуальные ро-мезоны, также используются для моделирования этой силы, но в меньшей степени. После открытия пиона Юкава была присуждена Нобелевская премия по физике 1949 года за его предсказания. В прошлом слово "мезон" иногда использовалось для обозначения любого переносчика силы, например, "Z-мезон", который участвует в посредничестве слабом взаимодействии. Однако это использование устарело, и теперь мезоны определяются как частицы, состоящие из пар кварков и антикварков.

In particle physics, a meson ('/m//iː//z//ɒ//n//, /'/m//ɛ//z//ɒ//n/) is a type of hadronic subatomic particle composed of an equal number of quarks and antiquarks, usually one of each, bound together by the strong interaction. Because mesons are composed of quark subparticles, they have a meaningful physical size, a diameter of roughly one femtometre (10 m), which is about 0.6 times the size of a proton or neutron. All mesons are unstable, with the longest lived lasting for only a few tenths of a nanosecond. Heavier mesons decay to lighter mesons and ultimately to stable electrons, neutrinos and photons. Outside the nucleus, mesons appear in nature only as short lived products of very high energy collisions between particles made of quarks, such as cosmic rays (high energy protons and neutrons) and baryonic matter. Mesons are routinely produced artificially in cyclotrons or other particle accelerators in the collisions of protons, antiprotons, or other particles. Higher energy (more massive) mesons were created momentarily in the Big Bang, but are not thought to play a role in nature today. However, such heavy mesons are regularly created in particle accelerator experiments that explore the nature of the heavier quarks that compose the heavier mesons. Mesons are part of the hadron particle family, which are defined simply as particles composed of two or more quarks. The other members of the hadron family are the baryons: subatomic particles composed of odd numbers of valence quarks (at least three), and some experiments show evidence of exotic mesons, which do not have the conventional valence quark content of two quarks (one quark and one antiquark), but four or more. Because quarks have a spin , the difference in quark number between mesons and baryons results in conventional two quark mesons being bosons, whereas baryons are fermions. Each type of meson has a corresponding antiparticle (antimeson) in which quarks are replaced by their corresponding antiquarks and vice versa. For example, a positive pion is made of one up quark and one down antiquark; and its corresponding antiparticle, the negative pion , is made of one up antiquark and one down quark. Because mesons are composed of quarks, they participate in both the weak interaction and strong interaction. Mesons with net electric charge also participate in the electromagnetic interaction. Mesons are classified according to their quark content, total angular momentum, parity and various other properties, such as C parity and G parity. Although no meson is stable, those of lower mass are nonetheless more stable than the more massive, and hence are easier to observe and study in particle accelerators or in cosmic ray experiments. The lightest group of mesons is less massive than the lightest group of baryons, meaning that they are more easily produced in experiments, and thus exhibit certain higher energy phenomena more readily than do baryons. But mesons can be quite massive: for example, the J/Psi meson containing the charm quark, first seen 1974, predicted the existence and the approximate mass of the "meson" as the carrier of the nuclear force that holds atomic nuclei together. If there were no nuclear force, all nuclei with two or more protons would fly apart due to electromagnetic repulsion. Yukawa called his carrier particle the meson, from μέσος mesos, the Greek word for "intermediate", because its predicted mass was between that of the electron and that of the proton, which has about 1,836 times the mass of the electron. Yukawa or Carl David Anderson, who discovered the muon, had originally named the particle the "mesotron", but he was corrected by the physicist Werner Heisenberg (whose father was a professor of Greek at the University of Munich). Heisenberg pointed out that there is no "tr" in the Greek word "mesos". The first candidate for Yukawa's meson, in modern terminology known as the muon, was discovered in 1936 by Carl David Anderson and others in the decay products of cosmic ray interactions. The "mu meson" had about the right mass to be Yukawa's carrier of the strong nuclear force, but over the course of the next decade, it became evident that it was not the right particle. It was eventually found that the "mu meson" did not participate in the strong nuclear interaction at all, but rather behaved like a heavy version of the electron, and was eventually classed as a lepton like the electron, rather than a meson. Physicists in making this choice decided that properties other than particle mass should control their classification. There were years of delays in the subatomic particle research during World War II (1939–1945), with most physicists working in applied projects for wartime necessities. When the war ended in August 1945, many physicists gradually returned to peacetime research. The first true meson to be discovered was what would later be called the "pi meson" (or pion). During 1939–1942, Debendra Mohan Bose and Bibha Chowdhuri exposed Ilford half tone photographic plates in the high altitude mountainous regions of Darjeeling, and observed long curved ionizing tracks that appeared to be different from the tracks of alpha particles or protons. In a series of articles published in Nature, they identified a cosmic particle having an average mass close to 200 times the mass of electron. This discovery was made in 1947 with improved full tone photographic emulsion plates, by Cecil Powell, Hugh Muirhead, César Lattes, and Giuseppe Occhialini, who were investigating cosmic ray products at the University of Bristol in England, based on photographic films placed in the Andes mountains. Some of those mesons had about the same mass as the already known mu "meson", yet seemed to decay into it, leading physicist Robert Marshak to hypothesize in 1947 that it was actually a new and different meson. Over the next few years, more experiments showed that the pion was indeed involved in strong interactions. The pion (as a virtual particle) is also used as force carrier to model the nuclear force in atomic nuclei (between protons and neutrons). This is an approximation, as the actual carrier of the strong force is believed to be the gluon, which is explicitly used to model strong interaction between quarks. Other mesons, such as the virtual rho mesons are used to model this force as well, but to a lesser extent. Following the discovery of the pion, Yukawa was awarded the 1949 Nobel Prize in Physics for his predictions. For a while in the past, the word meson was sometimes used to mean any force carrier, such as "the Z meson", which is involved in mediating the weak interaction. However, this use has fallen out of favor, and mesons are now defined as particles composed of pairs of quarks and antiquarks.

Оригинальная модель изоспина

Концепция изоспина была впервые предложена Вернером Гейзенбергом в 1932 году для объяснения сходства между протонами и нейтронами при сильном взаимодействии. Хотя у них были разные электрические заряды, их массы были настолько близки, что физики полагали, что это на самом деле одна и та же частица. Различные электрические заряды объяснялись как результат некоторого неизвестного возбуждения, аналогичного спину. Это неизвестное возбуждение позже, в 1937 году, Юджин Вигнер назвал изоспином. Когда были открыты первые мезоны, их также рассматривали в рамках концепции изоспина, и поэтому считалось, что три пиона – это одна и та же частица, но в разных изоспиновых состояниях. Математический аппарат изоспина был построен по аналогии с математикой спина. Проекции изоспина изменялись дискретно на единицу, как и проекции спина, и каждой проекции соответствовало «заряженное состояние». Поскольку «частица пиона» имела три «заряженных состояния», ей приписывали изоспин . Ее «заряженные состояния» , , и соответствовали проекциям изоспина и соответственно. Другой пример – «частица ро», также имеющая три заряженных состояния. Ее «заряженные состояния» , , и соответствовали проекциям изоспина и соответственно.

Классификация

Мезоны классифицируются в группы в соответствии с их изоспином (I), полным угловым моментом (J), четностью (P), G-четностью (G) или C-четностью (C), когда это применимо, и кварковым составом (q). Правила классификации определены Группой по данным о частицах и являются довольно сложными. Эти правила представлены ниже в табличной форме для удобства.

Безвкусные мезоны

Безвкусные мезоны – это мезоны, состоящие из пары кварка и антикварка одного и того же аромата (все их квантовые числа аромата равны нулю: S = 0, C = 0, B = 0, T = 0). Правила для безвкусных мезонов следующие: Подробности о других резонансах частиц, являющихся кандидатами в экзотические мезоны, см. в основной статье выше.