Kufikia katikati ya karne ya 20, dhana ya "hifadhi ya wanyama chembe" ilionekana katika fizikia, ikimaanisha aina mbalimbali za msingi za maada, ambazo wanasayansi walikumbana nazo baada ya vichapuzi vyenye nguvu vya kutosha kuundwa. Mmoja wa wenyeji wengi zaidi wa "zoo" walikuwa vitu vinavyoitwa mesons. Familia hii ya chembe, pamoja na baryons, imejumuishwa katika kundi kubwa la hadrons. Utafiti wao ulifanya iwezekane kupenya hadi kiwango cha ndani zaidi cha muundo wa maada na kuchangia katika mpangilio wa maarifa kulihusu katika nadharia ya kisasa ya chembe msingi na mwingiliano - Model Standard.
Historia ya uvumbuzi
Mapema miaka ya 1930, baada ya muundo wa kiini cha atomiki kufafanuliwa, swali lilizuka kuhusu asili ya nguvu zilizohakikisha kuwepo kwake. Ilikuwa wazi kwamba mwingiliano unaounganisha nucleons lazima uwe mkali sana na ufanyike kwa njia ya kubadilishana kwa chembe fulani. Hesabu zilizofanywa mwaka wa 1934 na mwananadharia wa Kijapani H. Yukawa zilionyesha kuwa vitu hivi ni mara 200-300 zaidi ya elektroni kwa wingi na,kwa mtiririko huo, mara kadhaa duni kwa protoni. Baadaye walipokea jina la mesons, ambalo kwa Kigiriki linamaanisha "katikati". Hata hivyo, ugunduzi wao wa kwanza wa moja kwa moja uligeuka kuwa "moto mbaya" kwa sababu ya ukaribu wa wingi wa chembe tofauti tofauti.
Mnamo 1936, vitu (viliitwa mu-mesoni) vyenye misa inayolingana na hesabu za Yukawa viligunduliwa katika miale ya ulimwengu. Ilionekana kuwa kiasi kilichotafutwa cha nguvu za nyuklia kilikuwa kimepatikana. Lakini basi ikawa kwamba mu-mesoni ni chembe ambazo hazihusiani na mwingiliano wa kubadilishana kati ya nucleons. Wao, pamoja na elektroni na neutrino, ni wa darasa lingine la vitu katika microcosm - leptons. Chembe hizo zilipewa jina la muons na utafutaji uliendelea.
Yukawa quanta ziligunduliwa tu mnamo 1947 na ziliitwa "pi-mesons", au pions. Ilibainika kuwa pi-meson yenye chaji ya umeme au ya upande wowote ndiyo chembe ambayo ubadilishaji wake huruhusu nyukleoni kuwepo pamoja kwenye kiini.
Muundo wa Meson
Ilidhihirika mara moja: peonies walikuja kwenye "zoo chembe" sio peke yao, lakini na jamaa nyingi. Walakini, ilikuwa ni kwa sababu ya idadi na anuwai ya chembe hizi ambazo iliwezekana kujua kuwa ni mchanganyiko wa idadi ndogo ya vitu vya msingi. Quarks ziligeuka kuwa vipengele hivyo vya kimuundo.
Meson ni hali iliyounganishwa ya quark na antiquark (uunganisho unafanywa kwa njia ya quanta ya mwingiliano mkali - gluons). Malipo ya "nguvu" ya quark ni nambari ya quantum, kwa kawaida inaitwa "rangi". Hata hivyo, hadrons zotena mesons kati yao, hawana rangi. Ina maana gani? Meson inaweza kuundwa na quark na antiquark ya aina tofauti (au, kama wanasema, ladha, "ladha"), lakini daima huchanganya rangi na anticolor. Kwa mfano, π+-meson huundwa na jozi ya u-quark - anti-d-quark (ud̄), na mchanganyiko wa malipo yao ya rangi inaweza kuwa "bluu - anti- bluu", "nyekundu - kupambana na nyekundu" au kijani-kupambana na kijani. Kubadilishana kwa gluons hubadilisha rangi ya quark, wakati meson inabaki bila rangi.
Komboo za vizazi vya zamani, kama vile s, c na b, hutoa ladha zinazolingana kwa mesoni wanazounda - ajabu, haiba na haiba, inayoonyeshwa na nambari zao za quantum. Chaji kamili ya umeme ya meson imeundwa na malipo ya sehemu ya chembe na antiparticles zinazounda. Mbali na jozi hii, inayoitwa valence quarks, meson inajumuisha jozi nyingi ("bahari") pepe na gluoni.
Mesons na nguvu za kimsingi
Mesons, au tuseme, quarks zinazounda, hushiriki katika aina zote za mwingiliano uliofafanuliwa na Muundo Wastani. Uzito wa mwingiliano unahusiana moja kwa moja na ulinganifu wa miitikio inayosababishwa nayo, yaani, uhifadhi wa kiasi fulani.
Michakato dhaifu ndiyo yenye nguvu kidogo zaidi, huhifadhi nishati, chaji ya umeme, kasi, kasi ya angular (spin) - kwa maneno mengine, ulinganifu wa ulimwengu wote pekee ndio hutenda. Katika mwingiliano wa sumakuumeme, idadi ya usawa na ladha ya mesoni pia huhifadhiwa. Hizi ni michakato ambayo ina jukumu muhimu katika atharikuoza.
Muingiliano dhabiti ndio wenye ulinganifu zaidi, unaohifadhi viwango vingine, haswa, isospin. Inawajibika kwa uhifadhi wa nucleons kwenye kiini kupitia kubadilishana ioni. Kwa kutoa na kunyonya pi-masoni zilizoshtakiwa, protoni na neutroni hupitia mabadiliko ya pande zote, na wakati wa kubadilishana kwa chembe ya neutral, kila moja ya nucleons inabaki yenyewe. Jinsi hii inaweza kuwakilishwa katika kiwango cha quarks inavyoonyeshwa kwenye mchoro ulio hapa chini.
Muingiliano mkali pia hutawala mtawanyiko wa mesoni kwa nukleoni, uzalishwaji wake katika migongano ya hadron na michakato mingine.
quarkonium ni nini
Mchanganyiko wa quark na antiquark ya ladha sawa inaitwa quarkonia. Neno hili kwa kawaida hutumika kwa mesoni ambazo zina c- na b-quarks kubwa. T-quark nzito sana haina wakati wa kuingia katika hali iliyofungwa hata kidogo, ikiharibika mara moja na kuwa nyepesi. Mchanganyiko wa cc̄ inaitwa charmonium, au chembe yenye charm iliyofichwa (J/ψ-meson); mchanganyiko bb̄ ni bottomonium, ambayo ina charm iliyofichwa (Υ-meson). Zote mbili zina sifa ya kuwepo kwa majimbo mengi ya resonant - msisimko.
Chembe zinazoundwa na viambajengo vya nuru - uū, dd̄ au ss̄ - ni hali ya juu zaidi (superposition) ya ladha, kwa kuwa wingi wa quarks hizi ni karibu kwa thamani. Kwa hivyo, π0-meson ni nafasi kuu ya majimbo uū na dd̄, ambayo yana seti sawa ya nambari za quantum.
Kutokuwa na utulivu wa viungo
Mchanganyiko wa chembe na antiparticle husababishakwamba maisha ya meson yoyote yanaishia katika maangamizi yao. Muda wa maisha unategemea ni mwingiliano gani unadhibiti uozo.
- Mesons zinazooza kupitia mkondo wa maangamizi "nguvu", tuseme, kwenye gluons baada ya kuzaliwa kwa mesoni mpya, hawaishi muda mrefu sana - 10-20 - 10 - 21 p. Mfano wa chembe hizo ni quarkonia.
- Maangamizi ya sumakuumeme pia ni makali sana: muda wa maisha wa π0-meson, ambaye jozi yake ya quark-antiquark hutoweka na kuwa fotoni mbili zenye uwezekano wa karibu 99%, ni takriban. 8 ∙ 10 -17 s.
- Maangamizi hafifu (kuoza hadi leptoni) huendelea kwa kasi ndogo zaidi. Kwa hivyo, pion iliyochajiwa (π+ – ud̄ – au π- – dū) huishi muda mrefu sana – kwa wastani 2.6 ∙ 10-8 s na kwa kawaida huoza na kuwa muon na neutrino (au antiparticles zinazolingana).
Mesoni nyingi ni zile zinazoitwa milio ya hadron, ya muda mfupi (10-22 - 10-24 c) matukio ambayo hutokea katika safu fulani za nishati ya juu, sawa na hali ya msisimko wa atomi. Hazijasajiliwa kwenye vigunduzi, lakini hukokotwa kulingana na salio la nishati la majibu.
Spin, kasi ya obitali na usawa
Tofauti na barioni, mesoni ni chembe za msingi zenye thamani kamili ya nambari ya mzunguko (0 au 1), yaani, ni viunga. Quarks ni fermions na wana spin-nusu integer ½. Ikiwa wakati wa kasi ya quark na antiquark ni sawa, basi waojumla - meson spin - ni sawa na 1, ikiwa antiparallel, itakuwa sawa na sifuri.
Kwa sababu ya mzunguko wa pande zote wa jozi ya vipengele, meson pia ina nambari ya obiti ya quantum, ambayo inachangia wingi wake. Kasi ya obiti na mzunguko huamua kasi ya jumla ya angular ya chembe, inayohusishwa na dhana ya anga, au usawa wa P (ulinganifu fulani wa utendaji wa mawimbi kwa heshima na ugeuzaji wa kioo). Kwa mujibu wa mchanganyiko wa spin S na ya ndani (inayohusiana na sura ya marejeleo ya chembe yenyewe) P-usawa, aina zifuatazo za mesoni zinatofautishwa:
- pseudoscalar - nyepesi zaidi (S=0, P=-1);
- vekta (S=1, P=-1);
- kipimo (S=0, P=1);
- vekta-pseudo (S=1, P=1).
Aina tatu za mwisho ni mesoni kubwa sana, ambazo ni majimbo yenye nishati nyingi.
Isotopic na ulinganifu wa umoja
Kwa uainishaji wa mesoni ni rahisi kutumia nambari maalum ya quantum - isotopiki spin. Katika michakato yenye nguvu, chembe zilizo na thamani sawa ya isospin hushiriki kwa ulinganifu, bila kujali chaji yao ya umeme, na zinaweza kuwakilishwa kama hali tofauti za malipo (makadirio ya isospin) ya kitu kimoja. Seti ya chembe hizo, ambazo ziko karibu sana kwa wingi, huitwa isomultiplet. Kwa mfano, isotripleti ya pion inajumuisha hali tatu: π+, π0 na π--meson.
Thamani ya isospin huhesabiwa kwa fomula I=(N–1)/2, ambapo N ni idadi ya chembe katika kizidishio. Kwa hivyo, isospin ya pion ni sawa na 1, na makadirio yake Iz kwa malipo maalum.nafasi ni kwa mtiririko huo +1, 0 na -1. Mezoni nne za ajabu - kaons - huunda isodoubleti mbili: K+ na K0 yenye isospini +½ na ugeni +1 na uwili wa antiparticles K.-- na K̄0, ambazo thamani hizi ni hasi.
Chaji ya umeme ya hadroni (pamoja na mesoni) Q inahusiana na makadirio ya isospin Iz na ile inayoitwa hypercharge Y (jumla ya nambari ya baryoni na ladha yote nambari). Uhusiano huu unaonyeshwa kwa fomula ya Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. Ni wazi kuwa washiriki wote wa kizidishio kimoja wana malipo sawa. Nambari ya barioni ya mesoni ni sifuri.
Kisha, mesoni huwekwa katika makundi pamoja na mizunguko ya ziada na usawa katika sehemu nyingi zaidi. Mesoni nane za pseudoscalar huunda octet, chembe za vector huunda nonet (tisa), na kadhalika. Hili ni onyesho la ulinganifu wa kiwango cha juu unaoitwa umoja.
Mesons na utafutaji wa Fizikia Mpya
Kwa sasa, wanafizikia wanatafuta matukio kwa bidii, maelezo ambayo yanaweza kusababisha upanuzi wa Muundo Sanifu na kwenda mbali zaidi kwa kuunda nadharia ya kina na ya jumla zaidi ya ulimwengu mdogo - Fizikia Mpya. Inachukuliwa kuwa Modeli ya Kawaida itaiweka kama kikomo, kesi ya chini ya nishati. Katika utafutaji huu, utafiti wa mesons una jukumu muhimu.
Ya kuvutia hasa ni mesoni ya kigeni - chembe chembe zenye muundo usiolingana na muundo wa muundo wa kawaida. Kwa hivyo, kwenye Hadron KubwaCollider mnamo 2014 ilithibitisha tetraquark ya Z(4430), hali iliyounganishwa ya jozi mbili za ud̄cc̄ quark-antiquark, bidhaa ya kati ya kuoza ya B meson nzuri. Uozo huu pia unavutia katika suala la ugunduzi unaowezekana wa darasa jipya la dhahania la chembe - leptoquarks.
Miundo pia hutabiri hali zingine za kigeni ambazo zinafaa kuainishwa kama mesoni, kwa kuwa zinashiriki katika michakato dhabiti, lakini zina nambari sufuri ya barioni, kama vile mipira ya gundi, iliyoundwa na gluoni pekee bila quarks. Vitu vyote kama hivyo vinaweza kujaza ujuzi wetu wa asili ya mwingiliano wa kimsingi kwa kiasi kikubwa na kuchangia maendeleo zaidi ya fizikia ya ulimwengu mdogo.
