Mitte des 20. Jahrhunderts tauchte in der Physik der Begriff „Teilchenzoo“auf, womit eine Vielzahl elementarer Bestandteile der Materie gemeint ist, auf die Wissenschaftler stießen, nachdem ausreichend starke Beschleuniger geschaffen worden waren. Einer der zahlreichsten Bewohner des "Zoos" waren Objekte, die Mesonen genannt wurden. Diese Teilchenfamilie gehört zusammen mit den Baryonen zur großen Gruppe der Hadronen. Ihre Studie ermöglichte es, auf eine tiefere Ebene der Struktur der Materie vorzudringen und trug dazu bei, das Wissen darüber in die moderne Theorie der fundamentalen Teilchen und Wechselwirkungen einzuordnen - das Standardmodell.
Discovery-Verlauf
In den frühen 1930er Jahren, nachdem die Zusammensetzung des Atomkerns geklärt war, stellte sich die Frage nach der Natur der Kräfte, die seine Existenz sicherten. Es war klar, dass die Wechselwirkung, die Nukleonen bindet, extrem intensiv sein und durch den Austausch bestimmter Teilchen erfolgen muss. Berechnungen des japanischen Theoretikers H. Yukawa aus dem Jahr 1934 zeigten, dass diese Objekte 200- bis 300-mal größer sind als die Masse des Elektrons unddem Proton um ein Vielfaches unterlegen. Später erhielten sie den Namen Mesonen, was auf Griechisch „Mitte“bedeutet. Ihr erster direkter Nachweis entpuppte sich jedoch aufgrund der Nähe der Massen sehr unterschiedlicher Teilchen als "Aussetzer".
1936 wurden Objekte (sie wurden Mu-Mesonen genannt) mit einer Masse, die den Berechnungen von Yukawa entsprach, in der kosmischen Strahlung entdeckt. Das gesuchte Quantum nuklearer Kräfte schien gefunden. Aber dann stellte sich heraus, dass Mu-Mesonen Teilchen sind, die nichts mit den Austauschwechselwirkungen zwischen Nukleonen zu tun haben. Sie gehören zusammen mit Elektron und Neutrino zu einer anderen Klasse von Objekten im Mikrokosmos - Leptonen. Die Teilchen wurden in Myonen umbenannt und die Suche fortgesetzt.
Yukawa-Quanten wurden erst 1947 entdeckt und "Pi-Mesonen" oder Pionen genannt. Es stellte sich heraus, dass ein elektrisch geladenes oder neutrales Pi-Meson tatsächlich das Teilchen ist, dessen Austausch die Koexistenz von Nukleonen im Kern ermöglicht.
Mesonstruktur
Fast war klar: Die Pfingstrosen kamen nicht alleine, sondern mit zahlreichen Verwandten in den „Partikelzoo“. Aufgrund der Anzahl und Vielf alt dieser Teilchen konnte jedoch festgestellt werden, dass es sich um Kombinationen einer kleinen Anzahl grundlegender Objekte handelt. Quarks erwiesen sich als solche Strukturelemente.
Meson ist ein gebundener Zustand eines Quarks und eines Antiquarks (die Verbindung erfolgt mittels Quanten starker Wechselwirkung - Gluonen). Die „starke“Ladung eines Quarks ist eine Quantenzahl, die üblicherweise „Farbe“genannt wird. Allerdings alles Hadronenund Mesonen unter ihnen sind farblos. Was bedeutet das? Ein Meson kann aus einem Quark und einem Antiquark unterschiedlicher Art (oder, wie sie sagen, Aromen, „Flavours“) gebildet werden, aber es kombiniert immer Farbe und Antifarbe. Beispielsweise wird das π+-Meson von einem Paar u-Quark - Anti-d-Quark (ud̄) gebildet, und die Kombination ihrer Farbladungen kann "Blau - Anti- blau", "rot-anti-rot" oder grün-anti-grün. Der Austausch von Gluonen ändert die Farbe der Quarks, während das Meson farblos bleibt.
Quarks älterer Generationen, wie s, c und b, verleihen den von ihnen gebildeten Mesonen die entsprechenden Aromen - Strangeness, Charm und Charm, ausgedrückt durch ihre eigenen Quantenzahlen. Die ganzzahlige elektrische Ladung des Mesons setzt sich aus den Teilladungen der Teilchen und Antiteilchen zusammen, die es bilden. Zusätzlich zu diesem Paar, Valenzquarks genannt, enthält das Meson viele ("Meer") virtuelle Paare und Gluonen.
Mesonen und Fundamentalkräfte
Mesonen, oder besser gesagt die Quarks, aus denen sie bestehen, nehmen an allen Arten von Wechselwirkungen teil, die das Standardmodell beschreibt. Die Intensität der Wechselwirkung steht in direktem Zusammenhang mit der Symmetrie der dadurch verursachten Reaktionen, also mit der Erh altung bestimmter Größen.
Schwache Prozesse sind am wenigsten intensiv, sie erh alten Energie, elektrische Ladung, Impuls, Drehimpuls (Spin) – mit anderen Worten, es wirken nur universelle Symmetrien. Bei der elektromagnetischen Wechselwirkung bleiben auch die Paritäts- und Flavor-Quantenzahlen von Mesonen erh alten. Dies sind die Prozesse, die bei den Reaktionen eine wichtige Rolle spielenVerfall.
Die starke Wechselwirkung ist am symmetrischsten und bewahrt andere Größen, insbesondere den Isospin. Es ist für die Retention von Nukleonen im Kern durch Ionenaustausch verantwortlich. Durch die Emission und Absorption geladener Pi-Mesonen durchlaufen Proton und Neutron gegenseitige Umwandlungen, und beim Austausch eines neutralen Teilchens bleibt jedes der Nukleonen es selbst. Wie dies auf der Ebene der Quarks dargestellt werden kann, zeigt die folgende Abbildung.
Die starke Wechselwirkung bestimmt auch die Streuung von Mesonen durch Nukleonen, ihre Entstehung bei Hadronenkollisionen und anderen Prozessen.
Was ist Quarkonium
Die Kombination aus einem Quark und einem Antiquark des gleichen Flavors wird als Quarkonia bezeichnet. Dieser Begriff wird normalerweise auf Mesonen angewendet, die massive c- und b-Quarks enth alten. Ein extrem schweres T-Quark hat überhaupt keine Zeit, in einen gebundenen Zustand überzugehen und zerfällt sofort in leichtere. Die Kombination cc̄ heißt Charmonium oder ein Teilchen mit verborgenem Charme (J / ψ-Meson); die Kombination bb̄ ist Bottomonium, das einen verborgenen Reiz hat (Υ-Meson). Beide zeichnen sich durch das Vorhandensein vieler resonanter – angeregter – Zustände aus.
Teilchen aus leichten Komponenten - uū, dd̄ oder ss̄ - sind eine Überlagerung (Überlagerung) von Flavours, da die Massen dieser Quarks einander nahe kommen. Das neutrale π0-Meson ist also eine Überlagerung der Zustände uū und dd̄, die denselben Satz von Quantenzahlen haben.
Meson-Instabilität
Die Kombination von Teilchen und Antiteilchen ergibtdass das Leben eines Mesons mit seiner Vernichtung endet. Die Lebensdauer hängt davon ab, welche Wechselwirkung den Zerfall steuert.
- Mesonen, die durch den Kanal der "starken" Vernichtung zerfallen, sagen wir, in Gluonen mit der anschließenden Geburt neuer Mesonen, leben nicht sehr lange - 10-20 - 10 - 21 p. Ein Beispiel für solche Partikel ist Quarkonia.
- Elektromagnetische Vernichtung ist ebenfalls ziemlich intensiv: Die Lebensdauer des π0-Mesons, dessen Quark-Antiquark-Paar mit einer Wahrscheinlichkeit von fast 99% in zwei Photonen annihiliert, beträgt etwa 8 ∙ 10 -17 s.
- Schwache Vernichtung (Zerfall in Leptonen) findet mit viel geringerer Intensität statt. Ein geladenes Pion (π+ – ud̄ – oder π- – dū) lebt also ziemlich lange – im Durchschnitt 2,6 ∙ 10-8 s und zerfällt normalerweise in ein Myon und ein Neutrino (oder die entsprechenden Antiteilchen).
Die meisten Mesonen sind die sogenannten Hadronenresonanzen, kurzlebige (10-22 – 10-24 c) Phänomene, die treten in bestimmten Hochenergiebereichen auf, ähnlich den angeregten Zuständen des Atoms. Sie werden nicht auf den Detektoren registriert, sondern anhand der Energiebilanz der Reaktion berechnet.
Spin, Bahnimpuls und Parität
Im Gegensatz zu Baryonen sind Mesonen Elementarteilchen mit einem ganzzahligen Wert der Spinzahl (0 oder 1), also Bosonen. Quarks sind Fermionen und haben einen halbzahligen Spin ½. Wenn die Impulsmomente eines Quarks und eines Antiquarks parallel sind, dann ihredie Summe - Mesonenspin - ist gleich 1, wenn sie antiparallel ist, ist sie gleich Null.
Aufgrund der gegenseitigen Zirkulation eines Komponentenpaares hat das Meson auch eine Bahnquantenzahl, die zu seiner Masse beiträgt. Der Bahnimpuls und der Spin bestimmen den Gesamtdrehimpuls des Teilchens, verbunden mit dem Konzept der räumlichen oder P-Parität (eine gewisse Symmetrie der Wellenfunktion in Bezug auf die Spiegelung). Entsprechend der Kombination aus Spin S und interner (bezogen auf das teilcheneigene Bezugssystem) P-Parität werden folgende Arten von Mesonen unterschieden:
- pseudoskalar - das leichteste (S=0, P=-1);
- Vektor (S=1, P=-1);
- skalar (S=0, P=1);
- Pseudovektor (S=1, P=1).
Die letzten drei Typen sind sehr massive Mesonen, also hochenergetische Zustände.
Isotopische und unitäre Symmetrien
Für die Klassifizierung von Mesonen ist es zweckmäßig, eine spezielle Quantenzahl zu verwenden - den Isotopenspin. An starken Prozessen nehmen Teilchen mit gleichem Isospin-Wert unabhängig von ihrer elektrischen Ladung symmetrisch teil und können als unterschiedliche Ladungszustände (Isospin-Projektionen) eines Objekts dargestellt werden. Eine Menge solcher Teilchen, die eine sehr ähnliche Masse haben, wird als Isomultiplet bezeichnet. Beispielsweise enthält das Pion-Isotriplett drei Zustände: π+, π0 und π--Meson.
Der Wert des Isospins wird mit der Formel I=(N–1)/2 berechnet, wobei N die Anzahl der Teilchen im Multiplett ist. Somit ist der Isospin eines Pions gleich 1 und seine Projektionen Iz in einer speziellen LadungLeerzeichen sind jeweils +1, 0 und -1. Die vier seltsamen Mesonen - Kaonen - bilden zwei Isodubletts: K+ und K0 mit Isospin +½ und Strangeness +1 und dem Dublett der Antiteilchen K- und K̄0, für die diese Werte negativ sind.
Die elektrische Ladung von Hadronen (einschließlich Mesonen) Q hängt mit der Isospinprojektion Iz und der sogenannten Hyperladung Y (der Summe aus Baryonenzahl und allen Flavours) zusammen Zahlen). Diese Beziehung wird durch die Nishijima-Gell-Mann-Formel ausgedrückt: Q=Iz + Y/2. Es ist klar, dass alle Mitglieder eines Multipletts die gleiche Hyperladung haben. Die Baryonenzahl der Mesonen ist null.
Dann werden die Mesonen mit zusätzlichem Spin und Parität zu Supermultipletts gruppiert. Acht pseudoskalare Mesonen bilden ein Oktett, Vektorpartikel bilden ein Nonett (neun) und so weiter. Dies ist eine Manifestation einer höheren Symmetrie, die als unitär bezeichnet wird.
Mesonen und die Suche nach neuer Physik
Gegenwärtig suchen Physiker aktiv nach Phänomenen, deren Beschreibung zur Erweiterung des Standardmodells führen und darüber hinausgehen würde mit der Konstruktion einer tieferen und allgemeineren Theorie der Mikrowelt - New Physics. Es wird davon ausgegangen, dass das Standardmodell als Grenzfall mit niedriger Energie eintreten wird. Bei dieser Suche spielt die Untersuchung von Mesonen eine wichtige Rolle.
Von besonderem Interesse sind exotische Mesonen – Teilchen, deren Struktur nicht in den Rahmen des üblichen Modells passt. Also beim Großen HadronCollider bestätigte 2014 das Z(4430)-Tetraquark, einen gebundenen Zustand von zwei ud̄cc̄-Quark-Antiquark-Paaren, ein intermediäres Zerfallsprodukt des schönen B-Mesons. Diese Zerfälle sind auch interessant im Hinblick auf die mögliche Entdeckung einer hypothetischen neuen Klasse von Teilchen – Leptoquarks.
Modelle sagen auch andere exotische Zustände voraus, die als Mesonen klassifiziert werden sollten, da sie an starken Prozessen teilnehmen, aber eine Baryonenzahl von Null haben, wie Glueballs, die nur von Gluonen ohne Quarks gebildet werden. All diese Objekte können unser Wissen über die Natur grundlegender Wechselwirkungen erheblich ergänzen und zur Weiterentwicklung der Physik der Mikrowelt beitragen.
