Мезон

Мезон (ад стар.-грэч.: μέσος — сярэдні) — базон моцнага ўзаемадзеяння. У стандартнай мадэлі мезоны — састаўныя (не-элементарныя) часціцы, якія складаюцца з цотнай колькасці кваркаў і антыкваркаў. Да мезонаў адносяць піоны (π-мезоны), каоны (K-мезоны) і многія іншыя больш цяжкія мезоны. Спачатку мезоны былі прадказаны як часціцы, якія пераносяць сілы, якія звязваюць пратоны і нейтроны.

Большая частка масы мезона паходзіць з энергіі сувязі, а не з сумы мас часціц, з якіх ён складаецца.

Усе мезоны нестабільныя.

Прадказанне і выяўленне

У 1935 годзе японскі фізік Х. Юкава стварыў першую колькасную тэорыю ўзаемадзеяння нуклонаў, якое адбываецца праз абмен новымі часціцамі, якія цяпер вядомыя як пі-мезоны (або піоны). Пасля за гэтую працу Х. Юкава быў узнагароджаны Нобелеўскай прэміяй па фізіцы.

Першапачаткова тэрмін «мезон» меў сэнс «сярэдні па масе», таму першым у разрад мезонаў трапіў (з-за яго прыдатнай масы) выяўлены ў канцы 1930-х гадоў мюон, які назвалі μ-мезонам. Аднак у канцы 1940-х было ўстаноўлена, што мюон не схільны да моцнага ўзаемадзеяння і адносіцца, як і электрон, да класа лептонаў (таму і назва μ-мезон з'яўляецца няправільнай).

Піон быў першым эксперыментальна адкрытым (1947) сапраўдным мезонам.

Да адкрыцця тэтракваркаў лічылася, што ўсе вядомыя мезоны складаюцца з пары кварк-антыкварк (г. зв. валентных кваркаў) і з «мора» віртуальных кварк-антыкваркавых пар і віртуальных глюонаў. Валентныя кваркі могуць існаваць у выглядзе суперпазіцыі станаў з розным водарам; напрыклад нейтральны піон не з'яўляецца ні парай $u{\bar {u}}$ , ні парай $d{\bar {d}}$ кваркаў, а ўяўляе сабой суперпазіцыю абодвух.

Псеўдаскалярныя мезоны (спін = 0) маюць мінімальную энергію спакою, бо ў іх кварк і антыкварк маюць антыпаралельныя спіны, пасля іх ідуць вектарныя мезоны (спін = 1), у якіх спіны кваркаў паралельныя (накіраваны аднолькава). Абодва тыпы сустракаюцца ў больш высокіх энергетычных станах, у якіх спін складваецца з арбітальным (вуглавым) момантам (сённяшняя карціна ўнутрыядзерных сіл даволі складаная, для дэтальнага азнаямлення з роляй мезонаў гл. Сучасны стан тэорыі моцных узаемадзеянняў).

Наменклатура мезонаў

Імя мезону даюць так, каб яно вызначала яго асноўныя ўласцівасці. Адпаведна, па зададзеных уласцівасцях мезона можна адназначна вызначыць яго назву. Спосабы наймення падзяляюцца на дзве катэгорыі, у залежнасці ад таго, ці мае Мезон «водар».

Мезоны без водару

Мезоны без водару — мезоны, усе квантавыя лікі водараў якіх роўныя нулю. Гэта азначае, што гэтыя мезоны з'яўляюцца станамі кварконія (пар кварк-антыкварк аднолькавага водару) або лінейнымі камбінацыямі такіх станаў.

Імя мезона вызначаецца яго сумарным спінам S і сумарным арбітальным вуглавым момантам L. Мезон складзены з двух кваркаў з s = 1/2, таму сумарны спін можа быць толькі S = 1 (паралельныя спіны) або S = 0 (антыпаралельныя спіны). Арбітальнае квантавы лік L зʼяўляецца за кошт кручэння аднаго кварка вакол іншага. Звычайна большы арбітальны момант выяўляецца ў выглядзе большай масы мезона. Гэтыя дзве квантавыя лікі вызначаюць цотнасць P і (для нейтральных мезонаў) зарадава-спалучаную цотнасць C мезоны:

P = (−1)^L+1

C = (−1)^L+S

Таксама L і S складаюцца ў поўны вуглавы момант J , які можа прымаць значэнні ад | L – S | да L + S з крокам адзінка. Магчымыя камбінацыі апісваюць знакам (тэрмам) ^{2 S + 1} L ^J (замест лічбавага значэння L ужываюць літарны код, гл. спектраскапічныя сімвалы) і сімвалам J ^PC (для абазначэння ўжываюць толькі знак P і C ).

Магчымыя камбінацыі і адпаведныя абазначэння мезонаў пададзены ў табліцы:

	J^PC =	(0, 2…)^{− +}	(1, 3…)^{+ −}	(1,2…)^{− −}	(0, 1…)^{+ +}
Кваркавы склад	^2S+1L_J = ^*	¹(S, D, …)_J	¹(P, F, …)_J	³(S, D, …)_J	³(P, F, …)_J
$u{\bar {d}}{\mbox{, }}u{\bar {u}}-d{\bar {d}}{\mbox{, }}d{\bar {u}}$ ^†	I = 1	π	b	ρ	a
$u{\bar {u}}+d{\bar {d}}{\mbox{, }}s{\bar {s}}$ ^†	I = 0	η, η’	h, h’	φ, ω	f, f’
$c{\bar {c}}$	I = 0	η_c	h_c	ψ ^•	χ_c
$b{\bar {b}}$	I = 0	η_b	h_b	Υ ^**	χ_b

Заўвагі:

^*Некаторыя камбінацыі забароненыя: 0 ^— —, 0 ^+ —, 1 ^{— +}, 2 ^+ —, 3 ^{— +}…

^†Першы шэраг утворыць ізаспінавы трыплет: π ^–, π ⁰;, π ⁺ і г. д.

^†Другі шэраг змяшчае пары часціц: φ мяркуецца станам

s{\bar {s}}

, а ω — станам

u{\bar {u}}+d{\bar {d}}.

. У іншых выпадках дакладны склад невядомы, так што выкарыстоўваецца штрых для адрознення двух формаў.

^•З гістарычных прычын, 1³ S₁ форма ψ называецца J / ψ.

^**Сімвалам стану ботаніўм зʼяўляецца загалоўны іпсілон Υ (у залежнасці ад браўзера можа адлюстроўвацца як загалоўная Y).

Нармальныя спін-цотныя паслядоўнасці фарміруюцца мезонамі, у якіх P = (-1) ^J . У нармальнай паслядоўнасці S = 1, так што PC = + 1 (гэта значыць P = C ). Гэта адпавядае некаторым трыплетным станам (паказаны ў двух апошніх слупках).

Паколькі некаторыя з сімвалаў могуць паказваць на больш чым адну часцінку, ёсць дадатковыя правілы:

У гэтай схеме часціцы з J ^P = 0 ^— вядомыя як псеўдаскаляры , а мезоны з J ^P = 1 ^— называюцца вектарамі . Для астатніх часціц лік J дадаецца ў выглядзе ніжняга індэксу: a ₀, a ₁, χ _c1 і т. д.
Для большасці ψ, Υ і χ станаў звычайна дадаюць да пазначэння спектраскапічную інфармацыю: Υ (1 S), Υ (2 S). Першая лічба — гэта галоўны квантавы лік, а літара з'яўляецца спектраскапічным пазначэннем L . Мультыплетнасть апускаецца, бо яна вынікае з літары, да таго ж J пры неабходнасці пішуць у выглядзе ніжняга індэксу: χ _b2 (1P ). Калі спектраскапічная інфармацыя недаступная, замест яе ўжываецца маса: Υ (9460)
Схема пазначэнняў не адрознівае «чыстыя» кваркавыя станы і станы глюонія. Таму глюоніевыя станы ужываюць такую самую схему наймення.
Для экзатычных мезонаў з «забароненым» наборам квантавых лікаў J ^PC = 0 ^{— -}, 0 ^+ —, 1 ^{— +}, 2 ^+ —, 3 ^{— +},… ужываюць тыя самыя абазначэнні, што і для мезонаў з ідэнтычнымі лікамі J ^P, за выключэннем дабаўкі ніжняга індэксу J. Мезоны з ізаспінам 0 і J ^PC = 1 ^{— +} абазначаюць як ω ₁. Калі квантавыя лікі часціцы невядомыя, яе абазначаюць як X з указаннем масы ў дужках.

Мезоны з водарам

Для мезонаў з водарам схема назваў трохі прасцей.

1. Імя дае мезону найцяжэйшы з двух кваркаў. Парадак ад цяжкага да лёгкага наступны: t > b > c > s > d > u . Аднак у u- і d-кваркаў водару няма, таму яны не ўплываюць на назву. Кварк t ніколі не сустракаецца ў адронах, але сімвал для мезонаў, якія змяшчаюць t , зарэзерваваны.

кварк	сімвал	кварк	сімвал
c	D	t	T
s	${\bar {K}}$	b	${\bar {B}}$

Трэба адзначыць, што з s- і b-кваркамі ўжываецца сімвал антычасціцы. Гэта адбываецца з-за прынятага пагаднення пра тое, што зарад водару і электрычны зарад павінны мець аднолькавы знак. Гэта ж слушна і для трэцяй кампаненты ізаспіна: кварк u мае дадатную праекцыю ізаспіна I ₃ і зарад, а кварк d мае адмоўныя I ₃ і зарад. У выніку кожны водар зараджанага мезона мае той жа знак, што і яго электрычны зарад.

2. Калі другі кварк таксама мае водар (любы, апроч u і d), то яго наяўнасць пазначаюць у выглядзе ніжняга індэкса (s, c або b і, тэарэтычна, t).

3. Калі мезон належыць нармальнай спін-цотнай паслядоўнасці, то-бок J^P = 0 ⁺, 1 ^-, 2 ⁺,…, то дадаецца верхні індэкс «*».

4. Для мезонаў, за выключэннем псеўдаскаляраў (0 ^-) і вектараў (1 ^-), дадаецца ў выглядзе ніжняга індэкса квантавы лік поўнага вуглавога моманту J.

У выніку атрымаем:

Кваркавы склад	ізаспін	J^P = 0⁻, 1⁺, 2⁻…	J^P = 0⁺, 1⁻, 2⁺…
${\bar {s}}u,\ {\bar {s}}d$	1/2	$K_{J}$ ^†	$K_{J}^{*}$
$c{\bar {u}},\ c{\bar {d}}$	1/2	$D_{J}$	$D_{J}^{*}$
$c{\bar {s}}$	0	$D_{sJ}$	$D_{sJ}^{*}$
${\bar {b}}u,\ {\bar {b}}d$	1/2	$B_{J}$	$B_{J}^{*}$
${\bar {b}}s$	0	$B_{sJ}$	$B_{sJ}^{*}$
${\bar {b}}c$	0	$B_{cJ}$	$B_{cJ}^{*}$

† J апушчаны для 0⁻ and 1⁻.

Часам часціцы могуць змешвацца. Напрыклад, нейтральны каон $K^{0}\,({\bar {s}}d)$ і яго антычасціца ${\bar {K}}^{0}\,(s{\bar {d}})$ у слабых узаемадзеяннях, як паказалі ў 1955 годзе М. Гел-Ман і А. Пайс, вядуць сябе як сіметрычная або антысіметрычная камбінацыі, кожнай з якіх адпавядае свая часціца: кароткажывучы нейтральны каон $K_{S}^{0}={\begin{matrix}{{\sqrt {2}} \over 2}\end{matrix}}(K^{0}-{\bar {K}}^{0})$ з PC = +1, які звычайна распадаецца на два піоны (π⁰π⁰ або π⁺π⁻), і доўгажывучы нейтральны каон $K_{L}^{0}={\begin{matrix}{{\sqrt {2}} \over 2}\end{matrix}}(K^{0}+{\bar {K}}^{0})$ з PC = −1, які звычайна распадаецца або на тры піоны, або на піон, электрон (або мюон) і нейтрына^[1]

Табліца некаторых мезонаў

Розныя тыпы мезонаў (не ўсе)
Часціца	Абазначэнне	Анты- часціца	Склад	Маса МэВ/c²	S	C	B	час жыцця с
Піон	π⁺	π⁻	$\mathrm {u{\bar {d}}}$	139,6	0	0	0	2,60×10⁻⁸
Піон	π⁰	←	$\mathrm {\frac {u{\bar {u}}-d{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$	135,0	0	0	0	0,84×10⁻¹⁶
Каон	K⁺	K⁻	$\mathrm {u{\bar {s}}}$	493,7	+1	0	0	1,24×10⁻⁸
	$\mathrm {K_{S}^{0}}$	$\mathrm {K_{S}^{0}}$	$\mathrm {\frac {d{\bar {s}}-s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$	497,7	+1	0	0	0,89×10⁻¹⁰
	$\mathrm {K_{L}^{0}}$	$\mathrm {K_{L}^{0}}$	$\mathrm {\frac {d{\bar {s}}+s{\bar {d}}}{\sqrt {2}}}$	497,7	+1	0	0	5,2×10⁻⁸
Эта	η⁰	←	$\mathrm {\frac {u{\bar {u}}+d{\bar {d}}-2s{\bar {s}}}{\sqrt {6}}}$	547,8	0	0	0	0,5×10⁻¹⁸
Ро	ρ⁺	ρ⁻	$\mathrm {u{\bar {d}}}$	776	0	0	0	0,4×10⁻²³
Фі	φ	←	$\mathrm {s{\bar {s}}}$	1019	0	0	0	16×10⁻²³
D	D⁺	D⁻	$\mathrm {c{\bar {d}}}$	1869	0	+1	0	10,6×10⁻¹³
	D⁰	$\mathrm {\bar {D^{0}}}$	$\mathrm {c{\bar {u}}}$	1865	0	+1	0	4,1×10⁻¹³
	$\mathrm {D_{S}^{+}}$	$\mathrm {D_{S}^{-}}$	$\mathrm {c{\bar {s}}}$	1968	+1	+1	0	4,9×10⁻¹³
J/ψ	J/ψ	←	$\mathrm {c{\bar {c}}}$	3096,9	0	0	0	7,2×10⁻²¹
B	B⁻	B⁺	$\mathrm {b{\bar {u}}}$	5279	0	0	−1	1,7×10⁻¹²
B	B⁰	$\mathrm {\bar {B^{0}}}$	$\mathrm {d{\bar {b}}}$	5279	0	0	−1	1,5×10⁻¹²
Іпсілон	Υ	←	$\mathrm {b{\bar {b}}}$	9460	0	0	0	1,3×10⁻²⁰