20-րդ դարի կեսերին ֆիզիկայում հայտնվեց «մասնիկների կենդանաբանական այգի» հասկացությունը, որը նշանակում է նյութի տարրական տարրական բաղադրիչներ, որոնց գիտնականները հանդիպեցին բավականաչափ հզոր արագացուցիչների ստեղծումից հետո: «Կենդանաբանական այգու» ամենաբազմաթիվ բնակիչներից էին մեզոններ կոչվող առարկաները։ Մասնիկների այս ընտանիքը բարիոնների հետ ներառված է հադրոնների մեծ խմբի մեջ։ Նրանց ուսումնասիրությունը հնարավորություն տվեց ներթափանցել նյութի կառուցվածքի ավելի խորը մակարդակ և նպաստեց դրա մասին գիտելիքների դասավորությանը հիմնարար մասնիկների և փոխազդեցությունների ժամանակակից տեսության մեջ՝ Ստանդարտ մոդել:
:
Հայտնաբերման պատմություն
1930-ականների սկզբին, ատոմային միջուկի կազմի հստակեցումից հետո, հարց ծագեց այն ուժերի էության մասին, որոնք ապահովում էին դրա գոյությունը։ Պարզ էր, որ նուկլոնները կապող փոխազդեցությունը պետք է չափազանց ինտենսիվ լինի և իրականացվի որոշակի մասնիկների փոխանակման միջոցով։ 1934 թվականին ճապոնացի տեսաբան Հ. Յուկավայի կողմից կատարված հաշվարկները ցույց են տվել, որ այս առարկաները 200–300 անգամ մեծ են էլեկտրոնի զանգվածից և.համապատասխանաբար մի քանի անգամ զիջում է պրոտոնին։ Հետագայում նրանք ստացել են մեզոնների անվանումը, որը հունարեն նշանակում է «միջին»։ Այնուամենայնիվ, նրանց առաջին ուղղակի հայտնաբերումը պարզվեց, որ «սխալ կրակ» էր՝ շատ տարբեր մասնիկների զանգվածների մոտիկության պատճառով:
1936 թվականին տիեզերական ճառագայթներում հայտնաբերվել են Յուկավայի հաշվարկներին համապատասխանող զանգվածով առարկաներ (դրանք կոչվում էին մու-մեզոններ)։ Թվում էր, թե գտնվել է միջուկային ուժերի փնտրվող քվանտը։ Բայց հետո պարզվեց, որ մու-մեզոնները մասնիկներ են, որոնք կապված չեն նուկլոնների փոխանակման փոխազդեցությունների հետ։ Նրանք, էլեկտրոնի և նեյտրինոյի հետ միասին, պատկանում են միկրոտիեզերքի առարկաների մեկ այլ դասի՝ լեպտոններին։ Մասնիկները վերանվանվեցին մյուոններ և որոնումները շարունակվեցին։
Յուկավայի քվանտները հայտնաբերվել են միայն 1947 թվականին և կոչվել են «պի-մեզոններ» կամ պիոններ: Պարզվեց, որ էլեկտրական լիցքավորված կամ չեզոք պի-մեզոնն իսկապես այն մասնիկն է, որի փոխանակումը թույլ է տալիս նուկլոններին գոյակցել միջուկում։
Մեզոնի կառուցվածք
Գրեթե անմիջապես պարզ դարձավ. պիոնները «մասնիկների կենդանաբանական այգի» էին եկել ոչ միայնակ, այլ բազմաթիվ հարազատների հետ։ Այնուամենայնիվ, այս մասնիկների քանակի և բազմազանության շնորհիվ հնարավոր եղավ հաստատել, որ դրանք փոքր թվով հիմնարար օբյեկտների համակցություններ են: Պարզվեց, որ քվարկներն այդպիսի կառուցվածքային տարրեր են։
Մեզոնը քվարկի և հակաքվարկի կապակցված վիճակ է (կապն իրականացվում է ուժեղ փոխազդեցության քվանտների՝ գլյուոնների միջոցով)։ Քվարկի «ուժեղ» լիցքը քվանտային թիվ է, որը պայմանականորեն կոչվում է «գույն»: Այնուամենայնիվ, բոլոր հադրոններըիսկ մեզոնները դրանցից անգույն են։ Ինչ է դա նշանակում? Մեզոնը կարող է ձևավորվել տարբեր տիպի քվարկից և անտիկվարկից (կամ, ինչպես ասում են, համային տեսականի, «բուրմունք»), բայց այն միշտ համատեղում է գույնն ու հակագույնը։ Օրինակ, π+-մեզոնը ձևավորվում է զույգ u-քվարկ - հակա-d-քվարկ (ud̄), և դրանց գունային լիցքերի համակցությունը կարող է լինել «կապույտ - հակա- կապույտ», «կարմիր - հակակարմիր» կամ կանաչ հակականաչ: Գլյուոնների փոխանակումը փոխում է քվարկների գույնը, մինչդեռ մեզոնը մնում է անգույն։
Ավագ սերունդների քվարկերը, ինչպիսիք են s-ը, c-ն և b-ը, իրենց ձևավորված մեզոններին տալիս են համապատասխան համեր՝ տարօրինակություն, հմայքը և հմայքը՝ արտահայտված իրենց իսկ քվանտային թվերով: Մեզոնի ամբողջ թվային էլեկտրական լիցքը կազմված է այն կազմող մասնիկների և հակամասնիկների կոտորակային լիցքերից։ Բացի այս զույգից, որը կոչվում է վալենտային քվարկ, մեզոնը ներառում է բազմաթիվ («ծովային») վիրտուալ զույգեր և գլյուոններ։
Մեզոններ և հիմնարար ուժեր
Մեզոնները, ավելի ճիշտ՝ դրանք կազմող քվարկները, մասնակցում են ստանդարտ մոդելով նկարագրված բոլոր տեսակի փոխազդեցություններին։ Փոխազդեցության ինտենսիվությունը ուղղակիորեն կապված է նրա կողմից առաջացած ռեակցիաների համաչափության, այսինքն՝ որոշակի մեծությունների պահպանման հետ։
Թույլ գործընթացներն ամենաքիչ ինտենսիվությունն են, դրանք պահպանում են էներգիան, էլեկտրական լիցքը, իմպուլսը, անկյունային իմպուլսը (սպին), այլ կերպ ասած՝ գործում են միայն ունիվերսալ սիմետրիաները: Էլեկտրամագնիսական փոխազդեցության ժամանակ մեզոնների հավասարությունը և համային քվանտային թվերը նույնպես պահպանվում են։ Սրանք այն գործընթացներն են, որոնք կարևոր դեր են խաղում ռեակցիաների մեջքայքայվել.
Ուժեղ փոխազդեցությունն ամենասիմետրիկն է՝ պահպանելով այլ մեծություններ, մասնավորապես՝ իզոսպին։ Այն պատասխանատու է իոնափոխանակության միջոցով միջուկում նուկլոնների պահպանման համար։ Արտանետելով և կլանելով լիցքավորված պի-մեզոնները՝ պրոտոնն ու նեյտրոնը փոխադարձ փոխակերպումներ են ունենում, և չեզոք մասնիկի փոխանակման ժամանակ նուկլեոններից յուրաքանչյուրը մնում է ինքն իրեն։ Ինչպես դա կարող է ներկայացվել քվարկների մակարդակում, ներկայացված է ստորև նկարում:
Ուժեղ փոխազդեցությունը նաև կարգավորում է նուկլեոնների կողմից մեզոնների ցրումը, դրանց արտադրությունը հադրոնների բախումների և այլ գործընթացներում:
Ինչ է քվարկոնիումը
Քվարկի և նույն համի հակաքվարկի համակցությունը կոչվում է քվարկոնիա: Այս տերմինը սովորաբար կիրառվում է այն մեզոնների նկատմամբ, որոնք պարունակում են զանգվածային c- և b-քվարկներ։ Ծայրահեղ ծանր t-քվարկը ընդհանրապես ժամանակ չունի մտնելու սահմանափակված վիճակ՝ անմիջապես քայքայվելով ավելի թեթևների: cc̄ համակցությունը կոչվում է charmonium կամ թաքնված հմայքով մասնիկ (J/ψ-meson); bb̄ համակցումը բոտոնիում է, որն ունի թաքնված հմայքը (Υ-մեզոն): Երկուսն էլ բնութագրվում են բազմաթիվ ռեզոնանսային-հուզված վիճակների առկայությամբ:
Թեթև բաղադրիչներից առաջացած մասնիկները՝ uū, dd̄ կամ ss̄, համային տեսականիների սուպերպոզիցիա են, քանի որ այս քվարկների զանգվածներն իրենց արժեքով մոտ են: Այսպիսով, չեզոք π0-մեզոնը uū և dd̄ վիճակների սուպերպոզիցիան է, որոնք ունեն քվանտային թվերի նույն բազմությունը:
Մեզոնի անկայունություն
Մասնիկի և հակամասնիկի համակցությունը հանգեցնում էոր ցանկացած մեզոնի կյանք ավարտվում է նրանց ոչնչացմամբ։ Կյանքի տևողությունը կախված է նրանից, թե որ փոխազդեցությունն է վերահսկում քայքայումը:
- Մեզոնները, որոնք քայքայվում են «ուժեղ» ոչնչացման ուղիներով, ասենք, վերածվում են գլյուոնների նոր մեզոնների հետագա ծնունդով, այնքան էլ երկար չեն ապրում - 10-20 - 10 - 21 էջ. Նման մասնիկների օրինակ է քվարկոնիան։
- Էլեկտրամագնիսական ոչնչացումը նույնպես բավականին ինտենսիվ է. π0-մեզոնի կյանքի տևողությունը, որի քվարկ-հակակվարք զույգը ոչնչացվում է երկու ֆոտոնների՝ գրեթե 99% հավանականությամբ: 8 ∙ 10 -17 s.
- Թույլ ոչնչացումը (քայքայվելը լեպտոնների) ընթանում է շատ ավելի քիչ ինտենսիվությամբ: Այսպիսով, լիցքավորված պիոնը (π+ – ud̄ – կամ π- – dū) ապրում է բավականին երկար՝ միջինը 2,6 ∙ 10-8 վրկ և սովորաբար քայքայվում է մյուոնի և նեյտրինոյի (կամ համապատասխան հակամասնիկների):
Մեզոնների մեծ մասը այսպես կոչված հադրոնային ռեզոնանսներ են, կարճատև (10-22 – 10-24 գ) երևույթներ, որոնք տեղի են ունենում որոշակի բարձր էներգիայի միջակայքերում, որոնք նման են ատոմի գրգռված վիճակներին: Դրանք գրանցված չեն դետեկտորների վրա, այլ հաշվարկվում են՝ ելնելով ռեակցիայի էներգետիկ հաշվեկշռից։
սպին, ուղեծրի իմպուլս և հավասարություն
Ի տարբերություն բարիոնների, մեզոնները տարրական մասնիկներ են, որոնք ունեն սպին թվի ամբողջական արժեք (0 կամ 1), այսինքն՝ բոզոններ են։ Քվարկները ֆերմիոններ են և ունեն կես ամբողջ թվով սպին ½: Եթե քվարկի և անտիկվարկի իմպուլսի պահերը զուգահեռ են, ապա դրանցգումարը՝ մեզոնի սպին - հավասար է 1-ի, եթե հակազուգահեռ է, այն հավասար կլինի զրոյի։
Զույգ բաղադրիչների փոխադարձ շրջանառության շնորհիվ մեզոնն ունի նաև ուղեծրային քվանտային թիվ, որը նպաստում է նրա զանգվածին։ Ուղեծրային իմպուլսը և սպինը որոշում են մասնիկի ընդհանուր անկյունային իմպուլսը, որը կապված է տարածական կամ P-հավասարության հայեցակարգի հետ (ալիքի ֆունկցիայի որոշակի համաչափություն հայելային ինվերսիայի նկատմամբ): Ըստ spin S-ի և ներքին (մասնիկի սեփական հղման համակարգի հետ կապված) P-ի համակցության, առանձնանում են մեզոնների հետևյալ տեսակները՝
- կեղծսկալար - ամենաթեթևը (S=0, P=-1);
- վեկտոր (S=1, P=-1);
- սկալար (S=0, P=1);
- կեղծվեկտոր (S=1, P=1).
Վերջին երեք տեսակները շատ զանգվածային մեզոններ են, որոնք բարձր էներգիայի վիճակներ են:
Իզոտոպային և միասնական համաչափություններ
Մեզոնների դասակարգման համար հարմար է օգտագործել հատուկ քվանտային թիվ՝ իզոտոպային սպին։ Ուժեղ պրոցեսներում նույն իզոսպինի արժեքով մասնիկները սիմետրիկորեն մասնակցում են՝ անկախ իրենց էլեկտրական լիցքից և կարող են ներկայացվել որպես մեկ օբյեկտի տարբեր լիցքավորման վիճակներ (իզոսպինի պրոյեկցիաներ): Նման մասնիկների զանգվածը, որոնք զանգվածով շատ մոտ են, կոչվում են իզոմբազմապատիկ։ Օրինակ՝ պիոնի իզոտրիպլետը ներառում է երեք վիճակ՝ π+, π0 և π--մեզոն.
Իզոսպինի արժեքը հաշվարկվում է I=(N–1)/2 բանաձևով, որտեղ N-ը բազմակի մասնիկների թիվն է։ Այսպիսով, պիոնի իզոսպինը հավասար է 1-ի, իսկ նրա կանխատեսումները Iz հատուկ լիցքումտարածությունները համապատասխանաբար +1, 0 և -1 են: Չորս տարօրինակ մեզոնները՝ կաոնները, կազմում են երկու իզոդապատիկ՝ K+ և K0 իզոսպինի +½ և տարօրինակության +1 և հակամասնիկների կրկնակի հետ K:- և K̄0, որոնց համար այս արժեքները բացասական են:
Հադրոնների (ներառյալ մեզոնների) էլեկտրական լիցքը կապված է Iz իզոսպինի պրոյեկցիայի և այսպես կոչված գերլիցքավորման Y-ի հետ (բարիոնների թվի և ամբողջ համի գումարը թվեր): Այս հարաբերությունն արտահայտվում է Նիշիջիմա-Գել-Ման բանաձևով. Q=Iz + Y/2: Պարզ է, որ մեկ մուլտիպլետի բոլոր անդամներն ունեն նույն հիպերլիցքը։ Մեզոնների բարիոնների թիվը զրո է։
Այնուհետև մեզոնները խմբավորվում են լրացուցիչ սպինով և պարիտետով գերբազմաթիվների: Ութ կեղծսկալյար մեզոններ կազմում են օկտետ, վեկտորային մասնիկները՝ նոնետ (ինը) և այլն։ Սա ավելի բարձր մակարդակի համաչափության դրսևորում է, որը կոչվում է միավոր:
Մեզոններ և նոր ֆիզիկայի որոնում
Ներկայումս ֆիզիկոսներն ակտիվորեն որոնում են այնպիսի երևույթներ, որոնց նկարագրությունը կհանգեցներ Ստանդարտ մոդելի ընդլայնմանը և դրանից այն կողմ անցնելու միկրոաշխարհի ավելի խորը և ընդհանուր տեսության՝ Նոր ֆիզիկայի կառուցմամբ: Ենթադրվում է, որ Ստանդարտ մոդելը կմտնի այն որպես սահմանափակող, ցածր էներգիայի գործ: Այս որոնման մեջ կարևոր դեր է խաղում մեզոնների ուսումնասիրությունը։
Առանձնահատուկ հետաքրքրություն են ներկայացնում էկզոտիկ մեզոնները՝ կառուցվածքով մասնիկներ, որոնք չեն տեղավորվում սովորական մոդելի շրջանակում: Այսպիսով, Մեծ հադրոնումCollider-ը 2014 թվականին հաստատեց Z(4430) տետրակվարկը, ud̄cc̄ քվարկ-հակակվարք զույգ զույգերի կապված վիճակ, որը գեղեցիկ B մեզոնի քայքայման միջանկյալ արդյունք է: Այս քայքայումները հետաքրքիր են նաև մասնիկների հիպոթետիկ նոր դասի՝ լեպտոկվարկերի հնարավոր հայտնաբերման տեսանկյունից։
Մոդելները նաև կանխատեսում են այլ էկզոտիկ վիճակներ, որոնք պետք է դասակարգվեն որպես մեզոններ, քանի որ նրանք մասնակցում են ուժեղ գործընթացներին, բայց ունեն բարիոնների զրոյական թիվ, ինչպիսիք են սոսնձագնդերը, որոնք ձևավորվում են միայն գլյուոններով առանց քվարկների: Բոլոր նման առարկաները կարող են զգալիորեն համալրել մեր գիտելիքները հիմնարար փոխազդեցությունների բնույթի մասին և նպաստել միկրոաշխարհի ֆիզիկայի հետագա զարգացմանը։
