Мезоны - это что за частицы? Понятие, описание, свойства и типы мезонов

К середине XX века в физике появилось понятие «зоопарка частиц», означающее множество разнообразных элементарных составляющих материи, с которым столкнулись ученые после того, как были созданы достаточно мощные ускорители. Одними из самых многочисленных обитателей «зоопарка» стали объекты, получившие название мезонов. Это семейство частиц наряду с барионами входит в обширную группу адронов. Изучение их позволило проникнуть на более глубокий уровень структуры материи и способствовало упорядочению знаний о ней в современную теорию фундаментальных частиц и взаимодействий – Стандартную модель.

История открытия

В начале 1930 годов, после прояснения состава атомного ядра, встал вопрос о природе сил, обеспечивающих его существование. Было ясно, что взаимодействие, связывающее нуклоны, должно быть чрезвычайно интенсивным и осуществляться путем обмена некими частицами. Расчеты, выполненные в 1934 году японским теоретиком Х. Юкавой, показали, что по массе эти объекты превосходят электрон в 200–300 раз и, соответственно, в несколько раз уступают протону. Позднее они получили наименование мезонов, что в переводе с греческого означает «средний». Однако их первое прямое обнаружение оказалось «осечкой», связанной с близостью значения масс очень разных частиц.

В 1936 году в космических лучах были открыты объекты (их назвали мю-мезонами) с массой, соответствующей расчетам Юкавы. Казалось, искомый квант ядерных сил найден. Но затем выяснилось, что мю-мезоны – это частицы, не имеющие отношения к обменным взаимодействиям между нуклонами. Они вместе с электроном и нейтрино относятся к другому классу объектов микромира – лептонам. Частицы были переименованы в мюоны, а поиски продолжались.

Кванты Юкавы были обнаружены только в 1947 году и получили название «пи-мезоны», или пионы. Оказалось, что электрически заряженный либо нейтральный пи-мезон – это действительно та частица, обмен которой позволяет нуклонам сосуществовать в ядре.

Структура мезонов

Практически сразу стало понятно: пионы пришли в «зоопарк частиц» не одни, а с многочисленными родственниками. Однако именно благодаря количеству и разнообразию этих частиц удалось установить, что они являются комбинациями небольшого числа фундаментальных объектов. Такими структурными элементами оказались кварки.

Мезон представляет собой связанное состояние кварка и антикварка (связь осуществляется посредством квантов сильного взаимодействия - глюонов). «Сильный» заряд кварка – это квантовое число, условно называемое «цветом». Однако все адроны, и мезоны в их числе, бесцветны. Что это значит? Мезон может быть образован кварком и антикварком разных типов (или, как принято говорить, ароматов, «флейворов»), но всегда сочетает цвет и антицвет. Например, π⁺-мезон образуется парой u-кварк – анти-d-кварк (ud̄), а сочетание их цветных зарядов может быть «синий – антисиний», «красный – антикрасный» либо «зеленый – антизеленый». Обмен глюонами изменяет цвет кварков, мезон же при этом остается бесцветным.

Кварки старших поколений, такие как s, c и b, сообщают образуемым ими мезонам соответствующие ароматы – странность, очарование и прелесть, выражаемые собственными квантовыми числами. Целочисленный электрический заряд мезона складывается из дробных зарядов образующих его частицы и античастицы. Помимо этой пары, именуемой валентными кварками, в состав мезона входит множество («море») виртуальных пар и глюонов.

Мезоны и фундаментальные силы

Мезоны, а точнее, составляющие их кварки, участвуют во всех типах взаимодействий, описываемых Стандартной моделью. Интенсивность взаимодействия прямо связана с симметричностью обусловленных им реакций, то есть с сохранением тех или иных величин.

Наименее интенсивны слабые процессы, в них сохраняются энергия, электрический заряд, импульс, момент импульса (спин), – иначе говоря, действуют лишь универсальные симметрии. В электромагнитном взаимодействии сохраняются также четность и флейворные квантовые числа мезонов. Это – процессы, играющие важную роль в реакциях распада.

Сильное взаимодействие наиболее симметрично, сохраняя и другие величины, в частности, изоспин. Оно ответственно за удержание нуклонов в ядре посредством ионного обмена. Испуская и поглощая заряженные пи-мезоны, протон и нейтрон испытывают взаимные превращения, а при обмене нейтральной частицей каждый из нуклонов остается самим собой. Как это может быть представлено на уровне кварков, демонстрирует рисунок, приведенный ниже.

Сильное взаимодействие также управляет рассеянием мезонов на нуклонах, рождением их в адронных столкновениях и другими процессами.

Что такое кварконий

Сочетание кварка и антикварка одного аромата принято именовать кварконием. Данный термин, как правило, применяется к мезонам, в составе которых есть массивные c- и b-кварки. Чрезвычайно тяжелый t-кварк вообще не успевает вступить в связанное состояние, мгновенно распадаясь на более легкие. Сочетание cc̄ называется чармонием, или частицей со скрытым очарованием (J/ψ-мезон); сочетание bb̄ - боттомонием, которому присуща скрытая прелесть (Υ-мезон). Оба характеризуются наличием множества резонансных – возбужденных – состояний.

Частицы, образуемые легкими компонентами – uū, dd̄ или ss̄ – являют собой суперпозицию (наложение) ароматов, поскольку массы этих кварков близки по значению. Так, нейтральный π⁰-мезон – суперпозиция состояний uū и dd̄, обладающих одинаковым набором квантовых чисел.

Нестабильность мезонов

Комбинация частицы и античастицы приводит к тому, что жизнь любого мезона оканчивается их аннигиляцией. Время жизни зависит от того, какое взаимодействие управляет распадом.

• Мезоны, распадающиеся по каналу «сильной» аннигиляции, скажем, на глюоны с последующим рождением новых мезонов, живут совсем недолго – 10^-20 – 10^-21 с. Пример таких частиц – кварконии.
• Электромагнитная аннигиляция также достаточно интенсивна: время жизни π⁰-мезона, кварк-антикварковая пара которого аннигилирует с вероятностью почти 99% в два фотона, составляет около 8 ∙ 10^-17 с.
• Слабая аннигиляция (распад на лептоны) протекает с гораздо меньшей интенсивностью. Так, заряженный пион (π⁺ – ud̄ – или π^- – dū) живет довольно долго – в среднем 2,6 ∙ 10^-8 с и распадается обычно на мюон и нейтрино (или на соответствующие античастицы).

Большинство мезонов – это так называемые адронные резонансы, короткоживущие (10^-22 – 10^-24 c) явления, возникающие в определенных диапазонах высоких энергий, аналогичные возбужденным состояниям атома. Они не регистрируются на детекторах, а вычисляются исходя из энергетического баланса реакции.

Спин, орбитальный момент и четность

В отличие от барионов, мезоны – это элементарные частицы, обладающие целочисленным значением спинового числа (0 или 1), то есть они представляют собой бозоны. Кварки же являются фермионами и имеют полуцелый спин ½. Если моменты импульса кварка и антикварка параллельны, то их сумма – спин мезона – равна 1, если антипараллельны, он будет равняться нулю.

Благодаря взаимному обращению пары компонентов мезон имеет также орбитальное квантовое число, которое вносит вклад в его массу. Орбитальный момент и спин определяют полный угловой момент частицы, связанный с понятием пространственной, или P-четности (определенной симметрии волновой функции относительно зеркальной инверсии). В соответствии с комбинацией спина S и внутренней (связанной с собственной системой отсчета частицы) P-четности различают следующие типы мезонов:

• псевдоскалярные – наиболее легкие (S = 0, P = -1);
• векторные (S = 1, P = -1);
• скалярные (S = 0, P = 1);
• псевдовекторные (S = 1, P = 1).

Последние три типа – это мезоны весьма массивные, представляющие собой высокоэнергетические состояния.

Изотопическая и унитарная симметрии

Для классификации мезонов удобно использовать специальное квантовое число – изотопический спин. В сильных процессах частицы с одинаковым значением изоспина участвуют симметрично, независимо от их электрического заряда, и могут быть представлены как различные зарядовые состояния (проекции изоспина) одного объекта. Совокупность таких частиц, очень близких по массе, называется изомультиплетом. Например, изотриплет пионов включает три состояния: π⁺, π⁰ и π^--мезон.

Значение изоспина вычисляется по формуле I = (N–1)/2, где N – количество частиц в мультиплете. Так, изоспин пиона равен 1, а его проекции I_z в особом зарядовом пространстве равны соответственно +1, 0 и -1. Четверка странных мезонов – каонов – образует два изодублета: K⁺ и K⁰ с изоспином +½ и странностью +1 и дублет античастиц K^- и K̄⁰, у которых эти величины отрицательны.

Электрический заряд адронов (и мезонов в том числе) Q связан с проекцией изоспина I_z и так называемым гиперзарядом Y (суммой барионного числа и всех флейворных чисел). Эта связь выражается формулой Нисидзимы–Гелл-Манна: Q = I_z + Y/2. Ясно, что все члены одного мультиплета имеют одинаковый гиперзаряд. Барионное число мезонов равно нулю.

Затем мезоны группируются с дополнительным учетом спина и четности в супермультиплеты. Восемь псевдоскалярных мезонов образуют октет, векторные частицы – нонет (девятку) и так далее. Это проявление симметрии более высокого уровня, называемой унитарной.

Мезоны и поиск Новой физики

В настоящее время физики ведут активный поиск явлений, описание которых привело бы к расширению Стандартной модели и к выходу за ее пределы с построением более глубокой и общей теории микромира – Новой физики. Предполагается, что Стандартная модель войдет в нее в качестве предельного, низкоэнергетического случая. В этом поиске исследование мезонов играет важную роль.

Особенно большой интерес представляют экзотические мезоны – частицы, имеющие структуру, не укладывающуюся в рамки обычной модели. Так, на Большом адронном коллайдере в 2014 году подтвержден тетракварк Z(4430) – связанное состояние двух кварк-антикварковых пар ud̄cc̄, промежуточный продукт распада прелестного B-мезона. Эти распады интересны и в плане возможного обнаружения гипотетического нового класса частиц – лептокварков.

Модели предсказывают и другие экзотические состояния, которые должны классифицироваться как мезоны, поскольку участвуют в сильных процессах, но имеют при этом нулевое барионное число – например, глюболы, образуемые только глюонами без кварков. Все подобные объекты могут существенно пополнить наши знания о природе фундаментальных взаимодействий и способствовать дальнейшему развитию физики микромира.