A mitjans del segle XX, el concepte de "zoo de partícules" va aparèixer a la física, és a dir, una varietat de components elementals de la matèria, que els científics van trobar després de crear acceleradors prou potents. Un dels habitants més nombrosos del "zoològic" eren objectes anomenats mesons. Aquesta família de partícules, juntament amb els barions, s'inclou en el gran grup dels hadrons. El seu estudi va permetre penetrar a un nivell més profund de l'estructura de la matèria i va contribuir a l'ordenació del coneixement sobre aquesta en la teoria moderna de partícules i interaccions fonamentals: el model estàndard.
Historial de descobriments
A principis dels anys 30, després d'aclarir la composició del nucli atòmic, va sorgir la qüestió sobre la naturalesa de les forces que n'asseguraven l'existència. Era evident que la interacció que uneix els nucleons ha de ser extremadament intensa i dur a terme mitjançant l'intercanvi de determinades partícules. Els càlculs realitzats el 1934 pel teòric japonès H. Yukawa van demostrar que aquests objectes són 200-300 vegades més grans que l'electró en massa i,respectivament, diverses vegades inferior al protó. Més tard van rebre el nom de mesons, que en grec significa "mitjà". No obstant això, la seva primera detecció directa va resultar ser un "fallit d'encesa" a causa de la proximitat de les masses de partícules molt diferents.
L'any 1936 es van descobrir objectes (eren anomenats mu-mesons) amb una massa corresponent als càlculs de Yukawa en raigs còsmics. Semblava que s'havia trobat el quàntic de forces nuclears buscat. Però després va resultar que els mesons mu són partícules que no estan relacionades amb les interaccions d'intercanvi entre nucleons. Ells, juntament amb l'electró i el neutrin, pertanyen a una altra classe d'objectes del microcosmos: els leptons. Les partícules van rebre el nom de muons i la recerca va continuar.
Els
Els quants Yukawa es van descobrir només l'any 1947 i es van anomenar "pi-mesons", o pions. Va resultar que un mesó pi neutre o carregat elèctricament és efectivament la partícula l'intercanvi de la qual permet que els nucleons coexisteixin al nucli.
Estructura mesó
Va quedar clar gairebé immediatament: les peònies van arribar al "zoològic de partícules" no soles, sinó amb nombrosos familiars. Tanmateix, va ser a causa del nombre i varietat d'aquestes partícules que es va poder establir que es tracta de combinacions d'un nombre reduït d'objectes fonamentals. Els quarks van resultar ser aquests elements estructurals.
El mesó és un estat lligat d'un quark i un antiquark (la connexió es realitza mitjançant quants d'interacció forta - gluons). La càrrega "forta" d'un quark és un nombre quàntic, anomenat convencionalment "color". No obstant això, tots els hadronsi els mesons entre ells, són incolors. Què vol dir? Un mesó pot estar format per un quark i un antiquark de diferents tipus (o, com diuen, sabors, “sabors”), però sempre combina color i anticolor. Per exemple, π+-mesó està format per un parell de u-quark - anti-d-quark (ud̄), i la combinació de les seves càrregues de color pot ser "blau - anti- blau", "vermell - antivermell" o verd-antiverd. L'intercanvi de gluons canvia el color dels quarks, mentre que el mesó roman incolor.
Quarks de generacions anteriors, com s, c i b, donen els sabors corresponents als mesons que formen: estranyesa, encant i encant, expressats pels seus propis nombres quàntics. La càrrega elèctrica entera del mesó està formada per les càrregues fraccionades de les partícules i les antipartícules que el formen. A més d'aquest parell, anomenat quarks de valència, el mesó inclou molts parells virtuals ("mars") i gluons.
Mesons i forces fonamentals
Mesons, o millor dit, els quarks que els formen, participen en tot tipus d'interaccions descrites pel Model Estàndard. La intensitat de la interacció està directament relacionada amb la simetria de les reaccions provocades per aquesta, és a dir, amb la conservació de determinades magnituds.
Els processos febles són els menys intensos, conserven energia, càrrega elèctrica, moment, moment angular (spin), és a dir, només actuen les simetries universals. En la interacció electromagnètica, també es conserven els nombres quàntics de paritat i sabor dels mesons. Aquests són els processos que tenen un paper important en les reaccionsdecaïment.
La interacció forta és la més simètrica, conservant altres quantitats, en particular, isospin. És responsable de la retenció de nucleons al nucli mitjançant l'intercanvi iònic. Mitjançant l'emissió i l'absorció de mesons pi carregats, el protó i el neutró experimenten transformacions mútues, i durant l'intercanvi d'una partícula neutra, cadascun dels nucleons segueix sent ell mateix. Com es pot representar això a nivell de quarks es mostra a la figura següent.
La forta interacció també regeix la dispersió dels mesons per nucleons, la seva producció en col·lisions d'hadrons i altres processos.
Què és el quarconi
La combinació d'un quark i un antiquark del mateix sabor s'anomena quarkònia. Aquest terme s'aplica generalment als mesons que contenen quarks c i b massius. Un t-quark extremadament pesat no té temps d'entrar en un estat lligat, decaint a l'instant en altres més lleugers. La combinació cc̄ s'anomena charmonium, o una partícula amb encant ocult (J/ψ-mesó); la combinació bb̄ és bottomonium, que té un encant ocult (Υ-mesó). Tots dos es caracteritzen per la presència de molts estats ressonants - excitats.
Les partícules formades per components lleugers -uū, dd̄ o ss̄- són una superposició (superposició) de sabors, ja que les masses d'aquests quarks tenen un valor proper. Així, el neutre π0-mesó és una superposició dels estats uū i dd̄, que tenen el mateix conjunt de nombres quàntics.
Inestabilitat del mesó
La combinació de partícules i antipartícules resulta enque la vida de qualsevol mesó acaba en el seu aniquilació. La vida útil depèn de quina interacció controla la decadència.
- Mesons que decauen pel canal de l'aniquilació "forta", per exemple, en gluons amb el posterior naixement de nous mesons, no viuen molt de temps - 10-20 - 10 - 21 p. Un exemple d'aquestes partícules és la quarkònia.
- L'aniquilació electromagnètica també és força intensa: la vida útil del mesó π0, el parell quark-antiquark del qual s'aniquila en dos fotons amb una probabilitat de gairebé el 99%, és d'aproximadament 8 ∙ 10 -17 s.
- L'aniquilació feble (desintegració en leptons) procedeix amb molta menys intensitat. Així, un pió carregat (π+ – ud̄ – o π- – dū) viu força temps, de mitjana 2,6 ∙ 10-8 s i normalment es desintegra en un muó i un neutrin (o les antipartícules corresponents).
La majoria dels mesons són les anomenades ressonàncies hadrones, de curta durada (10-22 – 10-24 c) fenòmens que es produeixen en certs rangs d' alta energia, similars als estats excitats de l'àtom. No es registren als detectors, però es calculen en funció del balanç energètic de la reacció.
Spin, impuls orbital i paritat
A diferència dels barions, els mesons són partícules elementals amb un valor enter del nombre de spin (0 o 1), és a dir, són bosons. Els quarks són fermions i tenen un espín mig enter ½. Si els moments d'impuls d'un quark i d'un antiquark són paral·lels, llavors el seula suma - gir mesó - és igual a 1, si és antiparal·lel, serà igual a zero.
A causa de la circulació mútua d'un parell de components, el mesó també té un nombre quàntic orbital, que contribueix a la seva massa. El moment orbital i el spin determinen el moment angular total de la partícula, associat al concepte de paritat espacial o P (una certa simetria de la funció d'ona respecte a la inversió del mirall). D'acord amb la combinació de l'espin S i la paritat interna (relacionada amb el propi marc de referència de la partícula) P, es distingeixen els següents tipus de mesons:
- pseudoscalar - el més lleuger (S=0, P=-1);
- vector (S=1, P=-1);
- escalar (S=0, P=1);
- pseudo-vector (S=1, P=1).
Els tres últims tipus són mesons molt massius, que són estats d' alta energia.
Simetries isotòpiques i unitàries
Per a la classificació dels mesons és convenient utilitzar un nombre quàntic especial: espín isotòpic. En els processos forts, les partícules amb el mateix valor d'isospin participen simètricament, independentment de la seva càrrega elèctrica, i es poden representar com diferents estats de càrrega (projeccions d'isospin) d'un objecte. Un conjunt d'aquestes partícules, que tenen una massa molt propera, s'anomena isomultiplet. Per exemple, l'isotriplet de pions inclou tres estats: π+, π0 i π--mesó.
El valor de l'isospin es calcula mitjançant la fórmula I=(N–1)/2, on N és el nombre de partícules del multiplet. Així, l'isospí d'un pió és igual a 1, i les seves projeccions Iz en una càrrega especialespai són respectivament +1, 0 i -1. Els quatre mesons estranys - kaons - formen dos isodoblets: K+ i K0 amb isospin +½ i estranyesa +1 i el doblet de les antipartícules K- i K̄0, per als quals aquests valors són negatius.
La càrrega elèctrica dels hadrons (inclosos els mesons) Q està relacionada amb la projecció d'isospina Iz i l'anomenada hipercàrrega Y (la suma del nombre barió i tots els sabors). nombres). Aquesta relació s'expressa mitjançant la fórmula de Nishijima–Gell-Mann: Q=Iz + Y/2. És evident que tots els membres d'un multiplet tenen la mateixa hipercàrrega. El nombre barió de mesons és zero.
A continuació, els mesons s'agrupen amb gir i paritat addicionals en supermúltiples. Vuit mesons pseudoescalars formen un octet, les partícules vectorials formen un nonet (nou), etc. Aquesta és una manifestació d'una simetria de nivell superior anomenada unitària.
Mesons i la recerca de la nova física
Actualment, els físics busquen activament fenòmens, la descripció dels quals portaria a l'expansió del Model Estàndard i a anar més enllà amb la construcció d'una teoria més profunda i general del micromón: la Nova Física. Se suposa que el model estàndard l'introduirà com a cas limitant i de baix consum. En aquesta cerca, l'estudi dels mesons té un paper important.
Són especialment interessants els mesons exòtics: partícules amb una estructura que no encaixa en el marc del model habitual. Així, al Gran HadronCollider el 2014 va confirmar el tetraquark Z(4430), un estat lligat de dos parells de quark-antiquark ud̄cc̄, un producte de desintegració intermèdia del bell mesó B. Aquestes desintegracions també són interessants pel que fa al possible descobriment d'una nova classe hipotètica de partícules: els leptoquarks.
Els models també prediuen altres estats exòtics que s'han de classificar com a mesons, ja que participen en processos forts, però tenen un nombre de barió zero, com les boles de cola, formats només per gluons sense quarks. Tots aquests objectes poden omplir significativament el nostre coneixement de la naturalesa de les interaccions fonamentals i contribuir al desenvolupament posterior de la física del micromón.
