Στα μέσα του 20ου αιώνα, η έννοια του «ζωολογικού κήπου σωματιδίων» εμφανίστηκε στη φυσική, που σημαίνει μια ποικιλία στοιχειωδών συστατικών της ύλης, τα οποία οι επιστήμονες συνάντησαν μετά τη δημιουργία επαρκώς ισχυρών επιταχυντών. Ένας από τους πιο πολυάριθμους κατοίκους του «ζωολογικού κήπου» ήταν αντικείμενα που ονομάζονταν μεσόνια. Αυτή η οικογένεια σωματιδίων, μαζί με τα βαρυόνια, περιλαμβάνεται στη μεγάλη ομάδα των αδρονίων. Η μελέτη τους κατέστησε δυνατή τη διείσδυση σε ένα βαθύτερο επίπεδο της δομής της ύλης και συνέβαλε στην ταξινόμηση της γνώσης σχετικά με αυτήν στη σύγχρονη θεωρία των θεμελιωδών σωματιδίων και αλληλεπιδράσεων - το Καθιερωμένο Μοντέλο.
Ιστορικό ανακάλυψης
Στις αρχές της δεκαετίας του 1930, μετά την αποσαφήνιση της σύνθεσης του ατομικού πυρήνα, προέκυψε το ερώτημα σχετικά με τη φύση των δυνάμεων που εξασφάλιζαν την ύπαρξή του. Ήταν σαφές ότι η αλληλεπίδραση που δεσμεύει τα νουκλεόνια πρέπει να είναι εξαιρετικά έντονη και να πραγματοποιείται μέσω της ανταλλαγής ορισμένων σωματιδίων. Οι υπολογισμοί που έγιναν το 1934 από τον Ιάπωνα θεωρητικό H. Yukawa έδειξαν ότι αυτά τα αντικείμενα είναι 200–300 φορές μεγαλύτερα από το ηλεκτρόνιο σε μάζα και,αντίστοιχα, αρκετές φορές κατώτερο από το πρωτόνιο. Αργότερα έλαβαν το όνομα μεσόνια, που στα ελληνικά σημαίνει «μέση». Ωστόσο, η πρώτη τους άμεση ανίχνευση αποδείχθηκε ότι ήταν μια «αστοχία» λόγω της εγγύτητας των μαζών των πολύ διαφορετικών σωματιδίων.
Το 1936, αντικείμενα (τα ονομάζονταν μου-μεσόνια) με μάζα που αντιστοιχεί στους υπολογισμούς του Yukawa ανακαλύφθηκαν στις κοσμικές ακτίνες. Φαινόταν ότι είχε βρεθεί το περιζήτητο ποσό των πυρηνικών δυνάμεων. Στη συνέχεια όμως αποδείχθηκε ότι τα μου-μεσόνια είναι σωματίδια που δεν σχετίζονται με τις αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής μεταξύ νουκλεονίων. Αυτά, μαζί με το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο, ανήκουν σε μια άλλη κατηγορία αντικειμένων του μικρόκοσμου - τα λεπτόνια. Τα σωματίδια μετονομάστηκαν σε μιόνια και η αναζήτηση συνεχίστηκε.
Τα
Κβάντα Yukawa ανακαλύφθηκαν μόλις το 1947 και ονομάστηκαν «πι-μεσόνια», ή πιόνια. Αποδείχθηκε ότι ένα ηλεκτρικά φορτισμένο ή ουδέτερο πι-μεσόνιο είναι πράγματι το σωματίδιο του οποίου η ανταλλαγή επιτρέπει στα νουκλεόνια να συνυπάρχουν στον πυρήνα.
Δομή μεσονίου
Έγινε σαφές σχεδόν αμέσως: οι παιώνιες ήρθαν στον «ζωολογικό κήπο σωματιδίων» όχι μόνοι, αλλά με πολλούς συγγενείς. Ωστόσο, λόγω του αριθμού και της ποικιλίας αυτών των σωματιδίων κατέστη δυνατό να διαπιστωθεί ότι είναι συνδυασμοί ενός μικρού αριθμού θεμελιωδών αντικειμένων. Τα κουάρκ αποδείχτηκε ότι ήταν τέτοια δομικά στοιχεία.
Μεσόνιο είναι μια δεσμευμένη κατάσταση ενός κουάρκ και ενός αντικουάρκ (η σύνδεση πραγματοποιείται μέσω κβαντών ισχυρής αλληλεπίδρασης - γκλουόνια). Το «ισχυρό» φορτίο ενός κουάρκ είναι ένας κβαντικός αριθμός, που συμβατικά ονομάζεται «χρώμα». Ωστόσο, όλα τα αδρόνιακαι τα μεσόνια ανάμεσά τους είναι άχρωμα. Τι σημαίνει? Ένα μεσόνιο μπορεί να σχηματιστεί από ένα κουάρκ και ένα αντικουάρκ διαφορετικών τύπων (ή, όπως λένε, γεύσεις, «γεύσεις»), αλλά πάντα συνδυάζει χρώμα και αντίχρωμο. Για παράδειγμα, το π+-μεσόνιο σχηματίζεται από ένα ζεύγος u-quark - anti-d-quark (ud̄), και ο συνδυασμός των χρωματικών τους φορτίων μπορεί να είναι μπλε - αντι- μπλε», «κόκκινο - αντι-κόκκινο» ή πράσινο-αντι-πράσινο. Η ανταλλαγή των γκλουονίων αλλάζει το χρώμα των κουάρκ, ενώ το μεσόνιο παραμένει άχρωμο.
Κουάρκ παλαιότερων γενεών, όπως τα s, c και b, δίνουν τις αντίστοιχες γεύσεις στα μεσόνια που σχηματίζουν - παραξενιά, γοητεία και γοητεία, που εκφράζονται με τους δικούς τους κβαντικούς αριθμούς. Το ακέραιο ηλεκτρικό φορτίο του μεσονίου αποτελείται από τα κλασματικά φορτία των σωματιδίων και των αντισωματιδίων που το σχηματίζουν. Εκτός από αυτό το ζεύγος, που ονομάζεται κουάρκ σθένους, το μεσόνιο περιλαμβάνει πολλά ("θαλάσσια") εικονικά ζεύγη και γκλουόνια.
Μεσόνια και θεμελιώδεις δυνάμεις
Τα μεσόνια, ή μάλλον, τα κουάρκ που τα αποτελούν, συμμετέχουν σε όλους τους τύπους αλληλεπιδράσεων που περιγράφονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο. Η ένταση της αλληλεπίδρασης σχετίζεται άμεσα με τη συμμετρία των αντιδράσεων που προκαλούνται από αυτήν, δηλαδή με τη διατήρηση ορισμένων ποσοτήτων.
Οι αδύναμες διεργασίες είναι οι λιγότερο έντονες, εξοικονομούν ενέργεια, ηλεκτρικό φορτίο, ορμή, γωνιακή ορμή (σπιν) – με άλλα λόγια, δρουν μόνο οι καθολικές συμμετρίες. Στην ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, διατηρούνται επίσης οι κβαντικοί αριθμοί ισοτιμίας και γεύσης των μεσονίων. Αυτές είναι οι διαδικασίες που παίζουν σημαντικό ρόλο στις αντιδράσειςαποσύνθεση.
Η ισχυρή αλληλεπίδραση είναι η πιο συμμετρική, διατηρώντας άλλες ποσότητες, ιδίως την ισοσπίνη. Είναι υπεύθυνο για τη διατήρηση των νουκλεονίων στον πυρήνα μέσω της ανταλλαγής ιόντων. Εκπέμποντας και απορροφώντας φορτισμένα πι-μεσόνια, το πρωτόνιο και το νετρόνιο υφίστανται αμοιβαίους μετασχηματισμούς και κατά την ανταλλαγή ενός ουδέτερου σωματιδίου, καθένα από τα νουκλεόνια παραμένει το ίδιο. Το πώς αυτό μπορεί να αναπαρασταθεί στο επίπεδο των κουάρκ φαίνεται στο παρακάτω σχήμα.
Η ισχυρή αλληλεπίδραση διέπει επίσης τη διασπορά των μεσονίων από νουκλεόνια, την παραγωγή τους σε συγκρούσεις αδρονίων και άλλες διεργασίες.
Τι είναι το καρκόνιο
Ο συνδυασμός ενός κουάρκ και ενός αντικουάρκ της ίδιας γεύσης ονομάζεται quarkonia. Αυτός ο όρος χρησιμοποιείται συνήθως σε μεσόνια που περιέχουν τεράστια c- και b-κουάρκ. Ένα εξαιρετικά βαρύ t-κουάρκ δεν έχει καθόλου χρόνο να εισέλθει σε μια δεσμευμένη κατάσταση, διασπώνται αμέσως σε ελαφρύτερα. Ο συνδυασμός cc̄ ονομάζεται charmonium, ή ένα σωματίδιο με κρυφή γοητεία (J/ψ-μεσόνιο). ο συνδυασμός bb̄ είναι βουτόνιο, το οποίο έχει μια κρυφή γοητεία (Υ-μεσόνιο). Και τα δύο χαρακτηρίζονται από την παρουσία πολλών ηχητικών - διεγερμένων - καταστάσεων.
Τα σωματίδια που σχηματίζονται από ελαφριά συστατικά - uū, dd̄ ή ss̄ - είναι μια υπέρθεση (υπέρθεση) γεύσεων, αφού οι μάζες αυτών των κουάρκ είναι κοντά σε αξία. Έτσι, το ουδέτερο π0-μεσόνιο είναι μια υπέρθεση των καταστάσεων uū και dd̄, που έχουν το ίδιο σύνολο κβαντικών αριθμών.
Αστάθεια μεσονίου
Ο συνδυασμός σωματιδίου και αντισωματιδίου έχει ως αποτέλεσμαότι η ζωή οποιουδήποτε μεσόνιου τελειώνει με τον αφανισμό τους. Η διάρκεια ζωής εξαρτάται από το ποια αλληλεπίδραση ελέγχει την αποσύνθεση.
- Τα μεσόνια που διασπώνται μέσω του καναλιού της "ισχυρής" εκμηδένισης, ας πούμε, σε γκλουόνια με την επακόλουθη γέννηση νέων μεσονίων, δεν ζουν πολύ - 10-20 - 10 - 21 σελ. Ένα παράδειγμα τέτοιων σωματιδίων είναι τα καρκόνια.
- Η ηλεκτρομαγνητική εκμηδένιση είναι επίσης αρκετά έντονη: η διάρκεια ζωής του π0-μεσονίου, του οποίου το ζεύγος κουάρκ-αντικουάρκ εκμηδενίζεται σε δύο φωτόνια με πιθανότητα σχεδόν 99%, είναι περίπου 8 ∙ 10 -17 δ.
- Η αδύναμη εξόντωση (αποσύνθεση σε λεπτόνια) προχωρά με πολύ μικρότερη ένταση. Έτσι, ένα φορτισμένο πιόνι (π+ – ud̄ – ή π- – dū) ζει αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα – κατά μέσο όρο 2,6 ∙ 10-8 s και συνήθως διασπάται σε μιόνιο και νετρίνο (ή τα αντίστοιχα αντισωματίδια).
Τα περισσότερα μεσόνια είναι οι λεγόμενοι συντονισμοί αδρονίων, βραχύβια (10-22 – 10-24 γ) φαινόμενα που συμβαίνουν σε ορισμένες περιοχές υψηλής ενέργειας, παρόμοιες με τις διεγερμένες καταστάσεις του ατόμου. Δεν καταχωρούνται στους ανιχνευτές, αλλά υπολογίζονται με βάση το ενεργειακό ισοζύγιο της αντίδρασης.
Σπιν, τροχιακή ορμή και ισοτιμία
Σε αντίθεση με τα βαρυόνια, τα μεσόνια είναι στοιχειώδη σωματίδια με ακέραια τιμή του αριθμού σπιν (0 ή 1), δηλαδή, είναι μποζόνια. Τα κουάρκ είναι φερμιόνια και έχουν μισό ακέραιο σπιν ½. Αν οι ροπές ορμής ενός κουάρκ και ενός αντικουάρκ είναι παράλληλες, τότε τουςτο άθροισμα - σπιν μεσονίου - είναι ίσο με 1, αν είναι αντιπαράλληλο, θα είναι ίσο με μηδέν.
Λόγω της αμοιβαίας κυκλοφορίας ενός ζεύγους συστατικών, το μεσόνιο έχει επίσης έναν τροχιακό κβαντικό αριθμό, ο οποίος συμβάλλει στη μάζα του. Η τροχιακή ορμή και το σπιν καθορίζουν τη συνολική γωνιακή ορμή του σωματιδίου, που σχετίζεται με την έννοια της χωρικής ή P-ισοτιμίας (μια ορισμένη συμμετρία της κυματικής συνάρτησης σε σχέση με την αντιστροφή καθρέφτη). Σύμφωνα με τον συνδυασμό του spin S και της εσωτερικής (που σχετίζεται με το ίδιο το πλαίσιο αναφοράς του σωματιδίου) P-ισοτιμία, διακρίνονται οι ακόλουθοι τύποι μεσονίων:
- ψευδοσκάλαιο - το ελαφρύτερο (S=0, P=-1);
- διάνυσμα (S=1, P=-1);
- scalar (S=0, P=1);
- ψευδοδιάνυσμα (S=1, P=1).
Οι τρεις τελευταίοι τύποι είναι πολύ μαζικά μεσόνια, τα οποία είναι καταστάσεις υψηλής ενέργειας.
Ισοτοπικές και ενιαίες συμμετρίες
Για την ταξινόμηση των μεσονίων είναι βολικό να χρησιμοποιήσετε έναν ειδικό κβαντικό αριθμό - ισοτοπικό σπιν. Σε ισχυρές διεργασίες, σωματίδια με την ίδια τιμή ισοσπινίου συμμετέχουν συμμετρικά, ανεξάρτητα από το ηλεκτρικό τους φορτίο, και μπορούν να αναπαρασταθούν ως διαφορετικές καταστάσεις φορτίου (προβολές ισοσπινίου) ενός αντικειμένου. Ένα σύνολο τέτοιων σωματιδίων, που είναι πολύ κοντά σε μάζα, ονομάζεται ισοπολλαπλάσιο. Για παράδειγμα, η ισοτριπλέτα pion περιλαμβάνει τρεις καταστάσεις: π+, π0 και π--μεσόνιο.
Η τιμή του isospin υπολογίζεται με τον τύπο I=(N–1)/2, όπου N είναι ο αριθμός των σωματιδίων στο πολλαπλάσιο. Έτσι, η ισοσπιν ενός πιονίου είναι ίση με 1 και οι προβολές του Iz σε ειδική φόρτισητο διάστημα είναι +1, 0 και -1 αντίστοιχα. Τα τέσσερα παράξενα μεσόνια - καόνια - σχηματίζουν δύο ισοδύναμες: K+ και K0 με ισοσπίνη +½ και παραξενιά +1 και το διπλό των αντισωματιδίων K- και K̄0, για τα οποία αυτές οι τιμές είναι αρνητικές.
Το ηλεκτρικό φορτίο των αδρονίων (συμπεριλαμβανομένων των μεσονίων) Q σχετίζεται με την προβολή ισοσπίνης Iz και το λεγόμενο υπερφόρτιση Y (το άθροισμα του αριθμού του βαρυονίου και όλης της γεύσης αριθμοί). Αυτή η σχέση εκφράζεται από τον τύπο Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. Είναι σαφές ότι όλα τα μέλη ενός πολλαπλού έχουν την ίδια υπερφόρτιση. Ο αριθμός των βαρυονίων των μεσονίων είναι μηδέν.
Στη συνέχεια, τα μεσόνια ομαδοποιούνται με επιπλέον σπιν και ισοτιμία σε υπερπολλαπλάσια. Οκτώ ψευδοσκάλαια μεσόνια σχηματίζουν μια οκτάδα, τα διανυσματικά σωματίδια σχηματίζουν ένα nonet (εννέα) και ούτω καθεξής. Αυτή είναι μια εκδήλωση μιας συμμετρίας υψηλότερου επιπέδου που ονομάζεται ενιαία.
Μεσόνια και η αναζήτηση για Νέα Φυσική
Επί του παρόντος, οι φυσικοί αναζητούν ενεργά φαινόμενα, η περιγραφή των οποίων θα οδηγούσε στην επέκταση του Καθιερωμένου Μοντέλου και στην υπέρβαση αυτού με την κατασκευή μιας βαθύτερης και γενικότερης θεωρίας του μικροκόσμου - Νέας Φυσικής. Υποτίθεται ότι το Καθιερωμένο Μοντέλο θα το εισάγει ως περιοριστική περίπτωση χαμηλής ενέργειας. Σε αυτή την αναζήτηση, η μελέτη των μεσονίων παίζει σημαντικό ρόλο.
Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν τα εξωτικά μεσόνια - σωματίδια με δομή που δεν ταιριάζει στο πλαίσιο του συνηθισμένου μοντέλου. Έτσι, στο Μεγάλο ΑδρόνιοΤο Collider το 2014 επιβεβαίωσε το τετρακουάρκ Z(4430), μια δεσμευμένη κατάσταση δύο ζευγών κουάρκ-αντικουάρκ ud̄cc̄, ένα ενδιάμεσο προϊόν διάσπασης του όμορφου μεσονίου Β. Αυτές οι διασπάσεις είναι επίσης ενδιαφέρουσες όσον αφορά την πιθανή ανακάλυψη μιας υποθετικής νέας κατηγορίας σωματιδίων - τα λεπτοκουάρκ.
Τα μοντέλα προβλέπουν επίσης άλλες εξωτικές καταστάσεις που θα πρέπει να ταξινομηθούν ως μεσόνια, καθώς συμμετέχουν σε ισχυρές διεργασίες, αλλά έχουν μηδενικό αριθμό βαρυονίου, όπως οι κολλητές, που σχηματίζονται μόνο από γκλουόνια χωρίς κουάρκ. Όλα αυτά τα αντικείμενα μπορούν να αναπληρώσουν σημαντικά τη γνώση μας για τη φύση των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων και να συμβάλουν στην περαιτέρω ανάπτυξη της φυσικής του μικροκόσμου.
